古老基因调控图跨越三亿年植物进化史

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科技日报记者 张梦然

来自全球的数十位科学家，共同破解了植物王国中一个深埋了数亿年的秘密。

顶级学术期刊《科学》日前在线发布了一项里程碑式的研究。一个由英国剑桥大学桑斯伯里实验室、以色列耶路撒冷希伯来大学、美国冷泉港实验室及马萨诸塞大学阿默斯特分校等机构领导的大型国际合作项目宣布，他们追溯并绘制出跨越3亿年植物进化史、规模空前的古老基因调控图谱。这项研究从根本上挑战了传统观点，揭示了一个驱动千姿百态植物形态建成的底层“语法规则”。

这一成果不仅解答了基础进化生物学的核心问题，更为未来按需精准设计作物性状、应对粮食安全与气候挑战，提供了前所未有的蓝图与工具。

“缺失的环节”正是丰富的宝藏

长久以来，植物基因组在科学家眼中是一部被反复涂改、结构散乱的“天书”。

与动物基因组相对清晰的“章节脉络”不同，植物在进化史上经历了更为频繁的“全基因组复制”事件，即整个基因组的DNA被完整复制一份甚至多份。随后，大量冗余的基因在漫长岁月中被丢失、重排或功能分化，使得原始的调控信息变得支离破碎，难以辨认。因此，尽管科学家在动物（如果蝇、小鼠、人类）中早已发现大量跨越数亿年依然保守的调控DNA序列，并视之为形态进化的核心驱动力，但植物学界普遍认为，此类深度的保守调控元件在植物中要么极为稀有，要么早已被进化的洪流冲刷殆尽。

“植物基因组极其复杂，这种复杂性就像一层厚重的历史尘埃，掩盖了调控DNA进化的真实轨迹。”剑桥大学玛德琳·巴特利特教授解释道。此前，科学家虽然知道许多控制发育的关键基因，但其周围的调控区域看起来却大相径庭，保守性很弱。这导致了一个认知困境：如果调控序列如此多变，那植物如何保持基本身体结构的稳定性，又何以演化出令人惊叹的多样性？

为破解这一难题，国际团队决心开发一种全新的“考古”工具。他们创建了一个名为“Conservatory”（意为“温室”）的大型比较基因组学平台。与以往只比较少数近缘物种的方法不同，“温室”采用了“深度系统发育采样”策略，一次性纳入了284种绿色植物，涵盖了从藻类、苔藓、蕨类、松柏到单子叶、双子叶开花植物的几乎所有主要谱系，时间跨度超过10亿年。

这项工程十分浩大，犹如在亿万块破碎的陶片中拼凑出古老的拼图。但通过“温室”平台，团队从看似杂乱的基因组“噪音”中，识别出约230万个保守非编码序列（CNS）。这些序列不编码蛋白质，但却是调控基因何时、何地、以何种强度表达的关键开关。

其中，有数十万个CNS展现出了惊人的古老性，它们的存在可以追溯到开花植物起源之前，最早的甚至出现在3亿多年前的种子植物共同祖先中。

这些序列一直隐藏在明处，只是人们此前没有合适的工具去发现它们，其丰富程度远超想象。现在，全部数据已作为公开资源发布，为全球植物科学家研究基因调控进化打开了一座“金矿”。

动态守恒的古老开关

发现了海量的古老调控序列只是第一步，更关键的问题是：它们究竟有何功能？又是如何在亿万年剧烈基因组动荡中保存下来的？

团队将目光投向那些控制植物生长发育核心过程的“总指挥”基因，尤其是关键的转录因子。通过“温室”分析，那些极为古老的CNS并非一成不变的“化石基因”，它们的具体位置在不同植物谱系中会发生变化，甚至有时会被复制，有时则会转移到基因的不同侧面。然而，这些模块之间的相对顺序和组合逻辑，却保持了高度的稳定性。团队将这种现象称为“动态守恒”。

随后，更多强烈证据表明，一个古老的CNS网络，构成了所有陆生植物形态建构的基础框架。它们可以移动、复制和多样化，同时仍忠实地执行着发育所必需的调控指令。这种“动态守恒”可能正是植物在悠久历史长河中，历经无数剧烈变化仍维持生存和进化的核心策略。

为未来作物设计带来革命性启示

这项研究还获得了多个颠覆传统认知的发现，对未来作物基因工程的设计策略具有直接的指导意义。

过去，作物改良很大程度上依赖于随机突变筛选或导入少数几个已知的功能基因。CRISPR等基因编辑技术的成熟，使人们拥有了修改DNA的“手术刀”。现在，新研究提供了一份至关重要的“地图”。

科学家终于知道，在作物基因组中，哪些调控序列是历经亿万年考验、对生长发育至关重要的“基石”，动之需万分谨慎；哪些区域又是进化上更年轻、更具可塑性，可以进行微调以改良特定性状（如果实大小、开花时间、株型）。这意味着，人们能以更可预测、更精细的方式，调控作物产量、抗逆性和营养品质相关基因的表达水平，而不是简单地将其敲除或过量表达。

换句话说，人们不再是简单的“编辑基因”，而是走向了精细“编辑基因表达程序”的新阶段。

这项成果不仅重塑了科学家对植物基因组进化的理解，更将古老的进化智慧转化为面向未来的技术资源。随着平台的广泛应用和这些古老“生长密码”的进一步解析，人类在设计和培育更能适应气候变化、养活更多人口的下一代作物方面得到更大助力，迈出了从“阅读自然”到“编写未来”的关键一步。