一棵小草的生存哲学

来源：中国科学院植物研究所

春季，天气日渐温暖起来，很多“沉睡中”的小草也感受到了这种温暖，迫不及待的绽放出笑容来。在这些探头探脑的小家伙中，就出现了拟南芥的身影，它比油菜花矮半截，却也依然在努力的生长着。

但是，你可别小瞧这棵小草，在植物学家的眼里，这可是“明星植物”，有科学家把它称为“植物中的果蝇”。在植物遗传学研究方面，它可是做出了很多了不起的贡献。

图1 实验室中生长的拟南芥自然品系和其所结种子

拟南芥的前世今生

拟南芥（Arabidopsis thaliana），又名鼠耳芥、阿拉伯芥、阿拉伯草，属双子叶植物十字花科拟南芥属，自然分布区广布非洲和近乎整个亚欧大陆。

很久很久以前，拟南芥只是马路边一种很不起眼的杂草。1905年，当时还在读博士的德国植物学家Laibach在德国伯恩和林堡附近发现了它，采集后用于博士期间的染色体计数研究。1943年，Laibach发现和总结了诸多拟南芥的优点：

第一，比较好养，给点阳光、浇点水就能活；第二，基因组背景比较简单，开展杂交、基因等研究相对较容易；第三，生活周期短，从发芽到结种子一般只要不到2个月的时间，也被称为“短命植物”，好处是很快就可以拿到实验结果；第四，种子数量多，杂草的种子一般都很多，一株可以产生几千甚至上万粒种子，都说“野火烧不尽，春风吹又生”，就是因为后代比较多，总有那么一部分可以先躲过恶劣的环境，条件允许的时候再冒出来；第五，易杂交，虽然是自交植物，但是别人的花粉咱也接受；第六，易获得突变体。

基于以上这些优点，Laibach就提议将拟南芥作为植物科学研究的模式植物。但是，由于当年Laibach还是一位博士生，研究的还是“没有什么用处”的小草，这个提议很自然地就被忽略了，在很长的一段时间里并没有得到科学家们的广泛认可。不过作为第一个吃螃蟹的人不得不感叹Laibach的眼力和坚持。

但幸运的是，他的研究引起了一位匈牙利从事小麦和番茄研究的科研人员Rédei的极大兴趣。他从Laibach那里拿到了拟南芥的种子，以拟南芥的Landsberg生态型进行X射线突变体研究。在研究过程中，他发现Landsberg基因组并不纯合，于是就从Landsberg中选择了一个单株，经过多代自交得到了基因组背景简单而且很稳定、纯合的拟南芥株系，并命名为Columbia。至此，植物界的模式明星Columbia就诞生了。

在40多年之后，于1975年，Rédei再次提出将拟南芥作为模式植物，至此拟南芥逐步被很多科学家认可，并开始以拟南芥为材料展开一系列的科学研究。

目前已有一千多个拟南芥自然品系被测序

虽然Columbia已经诞生，但是在很长的一段时间中，植物学家们一直以Rédei提供的Landsberg erecta品系为研究材料。直到1996年，Columbia才被选择作为拟南芥基因组测序的自然品系材料，并于2000年完成了全基因组测序并发表。Columbia基因组被测序之后，2008年，科学家们完成了3份拟南芥材料的重测序工作，随后大量的拟南芥被重测序。

迄今为止，已经有一千多个拟南芥自然品系被测序，主要包括1001基因组项目整合的1135份拟南芥自然品系测序、78份非洲拟南芥测序和中国长江流域118份拟南芥测序。大量的拟南芥测序工作为拟南芥全基因组范围内生态适应性研究提供了契机。

基因数目的减少与增加，一样重要！

近日，中科院植物所研究所研究员郭亚龙课题组联合多国科学家，以非洲和亚欧大陆自然生长的1071份拟南芥基因组为研究背景，在拟南芥假基因化对于表型变异和环境适应性方面取得了新进展。科学家们由此发现，基因数目的减少与增加，一样重要！

基因，对于生物体的表型和适应性起着十分重要的作用。在整个基因组范围内，基因的产生和消亡一直处于一个动态的变化中，基因可以通过复制来增加自己的拷贝数，也可以由基因组中的非编码序列变为全新的编码基因。长期以来，科学家一直较多关注基因拷贝数的变化和新基因的产生，却忽略了基因数目的减少对生物生存繁衍方面的意义。

但实际上，基因数目的减少与增加一样重要。基因的序列缺失或剧烈变化在拟南芥的基因组中非常普遍。在全球范围内分布的1071个拟南芥个体中，仅有34%的蛋白编码基因在所有的拟南芥个体中是稳定的。这些基因对于拟南芥在自然条件下生存繁衍是不可缺少的，一旦他们发生了剧烈的改变，就可能会对拟南芥的生长繁殖产生致命的影响。

然而，在拟南芥中仍然有66%的基因在不同的个体中发生了基因序列缺失或很大的变化，平均每个个体中有3%的基因，大约800个，发生了严重的改变。不过，这些改变并非全都是有害的，一些基因的改变可以产生不同类型的表型。比如，研究中发现一个控制拟南芥分支夹角的基因（LAZY1）发生了变化，植物就会表现为一种很“慵懒”的状态，如下图所示。

图2  LAZY1基因序列截短导致分支夹角变大，看右一这位，明显更为“慵懒”

虽然一些基因的改变很大，然而其中有一部分基因的序列缺失或剧烈变化对于拟南芥在自然生境中的生存是有利的。科研人员发现，这种改变在中国长江流域生长的拟南芥中，有1%的基因对于拟南芥的生存更倾向于有利的影响。其中包括一个控制根长的基因（KUK），该基因在长江流域的拟南芥中变短了，基因的长度仅为正常基因的十分之一，但这反而使拟南芥具有了更长的根系。

研究表明，基因的缺失与增加对于生物体的影响是相对的、动态变化的，基因的截短也可以塑造不同的生物表型，并且与生物体的适应性进化密切相关。

图3 基因的减少和增加对生物的影响是相对的

所以，或许从这个角度上来说，我们又从拟南芥这棵小草的身上，学到了更多的道理。