科学家发现200万个古老植物基因开关 | 海潮天下·植物基因组学讯

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文 | 卢晓雨

出品 | 海潮天下

在漫长的进化历程中，植物从最早的苔藓到如今的繁荣森林、农作物，经历了剧变与挑战。那么，植物究竟如何在数亿年内实现遗传信息的稳定性与功能的精准调控？2026年3月12日，由剑桥大学塞恩斯伯里实验室、耶路撒冷希伯来大学和冷泉港实验室的国际科研团队合作，在《科学》期刊上发表了一项突破性的研究，揭晓了答案。他们开展了基因组数据分析，从284种植物中发现了200多万个古老的“主开关”——这些被称为顺式作用元件的非编码DNA序列，实际上是植物精准调控基因表达的核心机制。

植物的独特性，并非仅由蛋白质编码基因决定。过去，生物学家们主要集中在基因组中那占2%左右的编码序列，认为它们才是生物的“本质”。但随着基因组学的进步，越来越多的证据表明，像人类和黑猩猩的蛋白质编码基因相似度高达98%，那么物种间的差异究竟来自哪里？真正的秘密，在那些看似“无用”的非编码DNA序列中。这些序列就像指挥家手中的指挥棒，精确掌控着基因的“开关”，决定了它们在何时、何地、以何种强度表达。而在动物中，这些保守的非编码序列早已被证明是演化的关键，而植物研究则在很长时间内未能揭开它们的面纱。

植物基因组的复杂性常让遗传学家头疼。植物的基因组经常发生大规模的加倍，之后伴随着基因的丢失和染色体重排。这种基因组重塑机制为植物提供了应对环境变化的灵活性，也让科学家很难确定基因与调控开关之间的明确联系。过去，很多研究者认为植物的保守非编码序列非常少，而且大多是在较新的演化阶段才出现的。

（图文无关）江南早春2月的雨后，一棵大树的树干上，苔藓和壳状地衣的共生群落。©Linda Wong 摄影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

为了打破这个难题，玛德琳·巴特利特教授领导的研究团队开发了一种全新的计算平台，对284个物种、涵盖73个植物科的庞大数据集进行了分析，揭示了植物基因组演化的动态规律。

藉此，研究团队能够识别那些历史悠久、位置变动但仍然紧密耦合的基因与调控开关，并且找到了200万个古老的“主开关”。令人惊讶的是，其中许多调控序列可以追溯到三亿多年前——在开花植物尚未占主导地位之前，这些序列便已经形成并得以保存至今。

这项研究的核心意义在于：植物基因组的真正力量，也在于那些精密调控基因的“开关”网络。它们在亿万年的自然选择中生死存亡，任何突变都可能导致灾难性的后果，这也是这些序列能够跨越三亿年仍然存在的原因。

如今，农业面临着气候变暖、病虫害威胁和日益增长的粮食需求等重大挑战。如何在更短时间内、更加精准地培育理想作物性状？虽然基因编辑技术已然成熟，但问题在于：我们到底应该编辑哪些区域？传统的基因编辑往往依靠“粗暴”的手段——比如直接敲除基因或插入多个基因拷贝。这种方法就像是用锤子修钟表，虽然能改变性状，但副作用往往也非常大。以番茄为例，科学家发现如果直接改变控制果实发育的CLAVATA3基因，番茄不仅会变得巨大，形状也会变得扭曲，甚至难以食用。

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上图：槲（hú）蕨（拉丁学名：Drynaria roosii Nakaike），别名为猴姜、猢狲（sūn）姜、石毛姜等，是水龙骨科槲蕨属植物。 被世界自然保护联盟列为无危（LC）物种。©Linda Wong 摄影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

但是，如果将焦点转向这些新发现的“主开关”，问题就截然不同了。这些非编码序列如同精准的微调旋钮，允许我们对基因的表达量进行细微调控。例如，可以让果实稍微增大，或者提高植物的耐旱性，而不会影响植物的整体生理平衡。研究人员指出，这种“微调式”育种策略，才是未来农业发展的方向。借助“温室项目”提供的数据库，科学家们可以精准找到调控农作物关键性状的“主开关”，进而进行精准编辑，培育出更符合需求的优质作物。

团队强调，200万个发现的“主开关”只是冰山一角。尽管现有的计算工具非常强大，但依然有许多隐藏更深的调控元件尚未被发现。如今，整个数据集已经公开，全球科研人员可以自由查阅和使用。这标志着植物科学从“识别基因”迈向“理解调控”的新阶段，未来可以更加高效地改良水稻、玉米、小麦等主粮，同时为具有经济或生态价值的植物提供保护和开发的理论依据。

自然界在数亿年前就完成了“代码优化”，植物在进化中保留下来的这些非编码序列，实际上是地球环境变化的最真实记录。深入理解这些“开关”的运作原理，也意味着我们可以揭开植物如何在极端气候下生存、如何在贫瘠土壤中扎根的秘密，让曾经被视为“垃圾DNA”的区域，成为生命科学领域最宝贵的宝藏。

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信息源 | Kirk R. Amundson et al. (2026)

文 | 卢晓雨

指导老师 | Linda

排版 | LXY

时间 | 2026年3月

【参考资料】

感兴趣的海潮天下（Marine Biodiversity）读者可以参看该研究的全文：

Kirk R. Amundson, Anat Hendelman, Danielle Ciren, Hailong Yang, Amber E. de Neve, Shai Tal, Adar Sulema, David Jackson, Madelaine E. Bartlett, Zachary B. Lippman, Idan Efroni (Science, 2025). 'A deep-time landscape of plant cis-regulatory sequence evolution'. DOI: 10.1126/science.adt8983

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt8983

https://www.cam.ac.uk/research/news/scientists-uncover-two-million-ancient-dna-switches-controlling-plant-genes

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