關(guān)注森林網(wǎng)

說(shuō)起“巨無(wú)霸”，你最先想到的是什么？

是漢堡中的銷(xiāo)量王者？《變形金剛》中力大無(wú)比的機(jī)器人？還是世界上體型最大的生物，比如重達(dá)180噸的藍(lán)鯨和高達(dá)115米的北美紅杉？

今天要講的這位，雖然外表平平無(wú)奇，卻在近日成為真核生物界新晉的基因組“巨無(wú)霸”，它就是來(lái)自梅溪蕨屬（Tmesipteris）的T. oblanceolata（為方便閱讀，下文簡(jiǎn)稱(chēng)其為“梅溪蕨”，種加詞oblanceolata指“倒披針形的”）

這一稱(chēng)號(hào)實(shí)至名歸，因?yàn)槊废У幕蚪M大小達(dá)到了驚人的160.45 Gb！它同時(shí)打破了三項(xiàng)世界紀(jì)錄——“最大的蕨類(lèi)植物基因組”、“最大的植物基因組”和“最大的基因組”。此前，后兩項(xiàng)紀(jì)錄一直由基因組大小為148.89 Gb的日本重樓（Paris japonica）自2010年起保持著。

“160.45 Gb”是個(gè)什么概念呢？

這還得從什么是基因組，基因組的大小及其如何衡量說(shuō)起。

新一屆“巨無(wú)霸”T. oblanceolata植株

（圖片來(lái)源：Fernández et al., 2024）

上一屆“巨無(wú)霸”日本重樓植株

（圖片來(lái)源：PPBC-吳寶成；Alpsake/Wikimedia Commons）

形容基因組有多“大”？不論斤也不論兩

基因組有兩個(gè)層面的含義：在物種水平上，基因組指某一物種所有個(gè)體極度相似但略有差異的遺傳信息；而在個(gè)體水平上，基因組指存在于某一個(gè)生物體內(nèi)所有細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)的總和，包括DNA或RNA（部分病毒）。

在生命的宏偉詩(shī)篇中，DNA是那神秘的編織者，用四種基礎(chǔ)的字母——腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和鳥(niǎo)嘌呤（G）編織出無(wú)盡的遺傳密碼。正如多米諾骨牌一般，每一塊骨牌的倒下都引發(fā)連鎖反應(yīng)，這些堿基的排列組合，決定了生物的多樣性，讓每一個(gè)生命體都擁有其獨(dú)特的遺傳藍(lán)圖。

那么，我們?nèi)绾魏饬窟z傳信息有“多少”呢？

一般來(lái)說(shuō)，衡量一個(gè)生物的遺傳信息有三種方式：

（1）以重量計(jì)算的C值，單位通常是皮克（10-12克，pg）；

（2）以分子量計(jì)算，單位為道爾頓；

（3）以核苷酸堿基（ATCGU）對(duì)的數(shù)量表示。

以核苷酸堿基對(duì)的數(shù)量來(lái)表示是衡量基因組大小最常用的方法。

和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量單位類(lèi)似，我們將一個(gè)堿基對(duì)的“容量”定為1 bp（base pair），如果將堿基對(duì)連接起來(lái)，一千個(gè)為1 Kb，一百萬(wàn)個(gè)為1 Mb，十億個(gè)則為1 Gb。但與計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量不同的是，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)大小的進(jìn)率是1024，而基因組大小的進(jìn)率是1000。

那么如何測(cè)定一個(gè)物種的基因組大小呢？目前，我們可以通過(guò)流式細(xì)胞術(shù)、K-mer分析法和基因組從頭測(cè)序的方法來(lái)估算，這三種方法在評(píng)估基因組大小的精確度上依次提高，但相應(yīng)的，它們的技術(shù)難度、準(zhǔn)確度和成本也隨之增加。

隨著三代測(cè)序技術(shù)的迅猛發(fā)展，基因組測(cè)序的成本已經(jīng)顯著降低，如今完成一個(gè)1 Gb基因組的深度測(cè)序、組裝及注釋的價(jià)格已經(jīng)降至10萬(wàn)元內(nèi)了。然而，即便成本大幅下降，對(duì)于160 Gb的梅溪蕨基因組這樣龐大的項(xiàng)目，其高昂的費(fèi)用仍然只有少數(shù)財(cái)力雄厚的“土豪”團(tuán)隊(duì)能夠承擔(dān)。

再者，三代測(cè)序組裝基因組前一般會(huì)用流式細(xì)胞術(shù)或K-mer法對(duì)基因組大小進(jìn)行“摸底”。于是，在這項(xiàng)研究中，科研人員首先安排上了較為“經(jīng)濟(jì)實(shí)惠”的流式細(xì)胞術(shù)估算梅溪蕨基因組大小。

流式細(xì)胞術(shù)的原理是通過(guò)制備細(xì)胞核懸浮液，對(duì)核酸進(jìn)行熒光染色，并使用已知基因組大小的物種作為參考，根據(jù)兩個(gè)物種間相對(duì)熒光密度（DNA含量）峰值的橫坐標(biāo)，對(duì)基因組大小進(jìn)行等比例計(jì)算。

如下圖所示，梅溪蕨和基因組大小為148.89 Gb的日本重樓的峰值橫坐標(biāo)的比值為1.12（226.60/202.28），說(shuō)明梅溪蕨的基因組大小約為日本重樓的1.12倍！這項(xiàng)研究同時(shí)使用了洋蔥、貝母屬Fritillaria lusitanica和日本重樓作為內(nèi)參，最終估算的梅溪蕨基因組大小為160.45 ±0.81 Gb。

梅溪蕨與日本重樓的流式細(xì)胞結(jié)果

（圖片來(lái)源：Fernández et al., 2024）

大大的基因組，卻有小小的身體？

盡管梅溪蕨擁有“巨型”基因組，但其植株看起來(lái)卻相當(dāng)迷你且不起眼。

梅溪蕨屬是松葉蕨科（Psilotaceae）下的一個(gè)小屬，包含15個(gè)種，其中12種都具有附生屬性。

本文的主角T. oblanceolata梅溪蕨比較罕見(jiàn)，它在西南太平洋的新喀里多尼亞島及一些鄰近島嶼上被發(fā)現(xiàn)，株高最多15 cm。梅溪蕨屬不僅植株迷你，也是科學(xué)家眼中很小眾的類(lèi)群，到目前為止，該屬中只報(bào)道了兩個(gè)物種的基因組大小，即四倍體T. tannensis（73.19 Gb）和八倍體T. obliqua（147.29 Gb），這兩者都擁有巨型基因組。

本研究通訊作者Jaume Pellicer教授在調(diào)查附生梅溪蕨的生境

（圖片來(lái)源：Oriane Hidalgo）

來(lái)自邱園的植物學(xué)家Ilia J. Leitch教授是這項(xiàng)研究的參與者之一，她用了一個(gè)形象的比喻來(lái)描述梅溪蕨的基因組大得有多夸張——如果把其細(xì)胞內(nèi)纏繞折疊的DNA像抽絲一樣展開(kāi)，長(zhǎng)度可超過(guò)100米，相比之下，人類(lèi)基因組大約為3.1 Gb，展開(kāi)后每個(gè)細(xì)胞中的DNA長(zhǎng)度僅為2米左右！如果按照字母和漢字的大小比例，將兩對(duì)堿基算一個(gè)字節(jié)，梅溪蕨的基因組可以寫(xiě)下11萬(wàn)本《紅樓夢(mèng)》（73.1萬(wàn)字/本），相當(dāng)于一個(gè)圖書(shū)館的藏書(shū)量了！

那么，基因組大小和生物體大小之間是否有某種關(guān)聯(lián)？對(duì)一個(gè)物種來(lái)說(shuō)，基因組越大越好嗎？

其實(shí)，著名的“C值悖論”已經(jīng)回答了第一個(gè)問(wèn)題，該理論提出物種的基因組大?。–值）和它進(jìn)化的復(fù)雜性之間是沒(méi)有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系的，基因組大小和生物體大小就更沒(méi)有關(guān)系啦。

而且與人們?cè)O(shè)想的不同，擁有更大的基因組通常并不是一種優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)?，基因組越大，合成的DNA就越多，需要的能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也越多，同時(shí)，在每次細(xì)胞分裂時(shí)復(fù)制基因組的能量需求也越高。

以植物為例，擁有大量DNA的通常都是那些生長(zhǎng)緩慢的多年生植物，它們的光合作用效率較低，并且需要更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)才能生長(zhǎng)，繁殖和產(chǎn)生后代更緩慢，適應(yīng)環(huán)境也可能更緩慢。

Ilia J. Leitch教授認(rèn)為，想要管理好如此龐大的遺傳信息，就像“試圖在擁有數(shù)百萬(wàn)本書(shū)的圖書(shū)館中，找到幾本有關(guān)如何在如此龐大的DNA中生存的指導(dǎo)書(shū)”一樣荒謬，畢竟基因組中，僅有很小一部分的DNA由編碼蛋白質(zhì)的基因組成。

那么，擁有如此龐大基因組的梅溪蕨是如何存活下來(lái)的呢？它又是如何管理基因組中復(fù)雜的遺傳信息的呢？

我們首先要搞明白梅溪蕨如此龐大的基因組從何而來(lái)。

想要讓基因組“瘋狂擴(kuò)張”，

有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)

植物的基因組大小具有驚人的差異性，目前已知基因組最小的植物是貍藻科的一種食蟲(chóng)植物——旋刺草（Genlisea aurea），它的基因組大小只有0.0636 Gb，因?yàn)槊废У募尤?，使得植物基因組大小的變化范圍擴(kuò)展到了驚人的2500倍（160.45/0.0636）。

目前的研究認(rèn)為，基因組大小的變化主要由兩類(lèi)因素驅(qū)動(dòng)。

1.基因組多倍化

指某物種通過(guò)染色體倍增的方式導(dǎo)致多套染色體共存于同一細(xì)胞核中，形成穩(wěn)定遺傳的新物種的現(xiàn)象。這就類(lèi)似于多倍體同時(shí)點(diǎn)了好幾份基因組的“豪華套餐”，例如稻屬中，基因組分別為400 Mb和600 Mb左右的二倍體斑點(diǎn)野生稻和藥用野生稻雜交并多倍化后，產(chǎn)生了異源四倍體小粒野生稻，其基因組達(dá)到1Gb。

2.重復(fù)序列的擴(kuò)張

基因組中重復(fù)出現(xiàn)的DNA序列叫做重復(fù)序列，例如轉(zhuǎn)座子（一類(lèi)能夠在染色體上自主復(fù)制和位移的DNA序列）。由于許多類(lèi)型的轉(zhuǎn)座子不具備基因編碼能力，因此曾被叫做“垃圾序列”。然而，隨著科學(xué)的發(fā)展和研究的深入，科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)，重復(fù)序列不僅是大型植物基因組的重要組成部分，也是基因組進(jìn)化的重要驅(qū)動(dòng)因素。

以寄生生物為例，一般來(lái)說(shuō)，它們?yōu)榱藴p少自身負(fù)荷和能耗，會(huì)盡可能讓基因組精簡(jiǎn)，但寄生花卻擁有3.5 Gb的大型基因組，其中就有高達(dá)90%的序列由高度重復(fù)的轉(zhuǎn)座子組成。盡管它的基因組看起來(lái)十分“巨無(wú)霸”，但事實(shí)上大部分基因的結(jié)構(gòu)都非常簡(jiǎn)單，且基因丟失數(shù)量極高，是名副其實(shí)的“虛胖型選手”。

雖然梅溪蕨的基因組還未被解析，細(xì)胞學(xué)數(shù)據(jù)也暫未被收集到，我們暫不清楚蕨類(lèi)植物是如何應(yīng)對(duì)如此不必要的巨型基因組帶來(lái)的后果的。但是，科學(xué)家們猜測(cè)，梅溪蕨的基因組“巨無(wú)霸”套餐是這樣定制的：多倍體身份or“虛胖”的冗余序列？它才不做選擇，全都要了！

>>多倍體身份

相較于被子植物，蕨類(lèi)植物的細(xì)胞中通常擁有較高的染色體數(shù)目，這種現(xiàn)象也被稱(chēng)為“染色體囤積綜合征”，梅溪蕨屬的單套染色體組中的染色體基數(shù)就達(dá)到了x = 52。此外，現(xiàn)有證據(jù)發(fā)現(xiàn)梅溪蕨屬內(nèi)不乏四倍體、八倍體等，這簡(jiǎn)直buff疊滿了呀！

>>高度重復(fù)的序列

研究者們推測(cè)，梅溪蕨屬多個(gè)物種的巨型基因組可能與其“附生”的屬性有關(guān)，或許與擁有“寄生”屬性的寄生花相似，其基因組中也存在高度冗余的重復(fù)序列。

此外，根據(jù)以往大型基因組的研究案例，我們也可以大膽推測(cè)：梅溪蕨基因組中或許存在一些高度擴(kuò)張的基因家族，對(duì)其適應(yīng)環(huán)境有著重要作用；梅溪蕨基因組中或許也發(fā)生了大量的基因丟失事件，只有少量控制關(guān)鍵性狀的基因得以保留，這些基因或許是梅溪蕨成功管理其巨型基因組的關(guān)鍵；梅溪蕨現(xiàn)有群體如此小，是否曾經(jīng)歷了瓶頸效應(yīng)，使其遺傳多樣性降低，積累了大量有害突變，這個(gè)物種未來(lái)是否會(huì)面臨生存的危機(jī)，是否需要采取保護(hù)措施......當(dāng)然，這一切問(wèn)題的答案，還是坐等“土豪”團(tuán)隊(duì)解析完基因組后，由進(jìn)化生物學(xué)家來(lái)揭曉吧。

還有哪些基因組“巨無(wú)霸”？

除了本文的主角，自然界中其實(shí)還擁有不少基因組大小超過(guò)100 Gb的生物，比如植物中的梅溪蕨屬、日本重樓、延齡草屬、白果槲寄生，動(dòng)物中的各種肺魚(yú)和泥螈。雖然這些生物中，有的能跑能跳能劃水，有的扎根土壤吸收日月精華；有的顏值極高，有的其貌不揚(yáng)；有的“身強(qiáng)力壯”，有的弱不禁風(fēng)......但它們都有一個(gè)共同的名字——基因組“巨無(wú)霸”！

已知基因組大小超過(guò)100 Gb的生物

（圖片漢化自：Fernández et al., 2024）

審核 | 李鹍鵬