池塘动力园的基因组指向其生物燃料潜力

浮萍是一种微小的漂浮植物，众所周知，它可以驱使人们玩耍。它是最小和发展最快的开花植物之一，常常成为池塘和小湖泊中难以控制的杂草。但它也被用来清洁受污染的水，并作为生产药品的来源。现在，大浮萍(Spirodela polyrhiza)的基因组使这种微型植物作为生物燃料来源的潜力得到了极大的推动。在 2014年2月19日发表在Nature Communications期刊上的一篇论文中 ，罗格斯大学，能源部联合基因组研究所和其他几个研究所的研究人员详细介绍了S. polyrhiza的完整基因组 。 并与其他几种植物(包括大米和西红柿)进行了对比分析。

简单而原始的浮萍植物由一个小的肾形叶片组成，大小与铅笔顶部的橡皮擦一样，漂浮在水面上，水下有一些细根。它几乎在所有地理区域都有增长，几乎在任何高度。虽然它是一种开花植物，但它很少在其漂浮的叶子的下面形成小的不明显的花朵。大多数情况下，它通过从作为亲本叶片克隆的小叶子出芽来繁殖。它通常在池塘的边缘，湖泊和沼泽的安静入口处形成厚垫。它是增长最快的植物之一，能够在理想条件下在几天内使其人口翻倍。

这些和其他特性使其成为生物燃料原料的理想候选者 - 生物燃料生产的原始来源。例如，与陆地上的植物不同，浮萍不需要保持直立或将水从远处的根部运输到它们的叶子，因此它们是相对柔软和柔韧的植物，含有少量的木质材料，如木质素和纤维素。从原料中去除这些木质材料一直是生物燃料生产中的主要挑战。此外，虽然它们小到足以在许多环境中生长，但与生产生物燃料的微生物不同，浮萍植物的大小足以容易收获。

S.polyrhiza被 证明具有最小的已知植物基因组之一，约1.58亿碱基对和少于20,000个蛋白质编码基因。这比拟南芥(Arabidopsis thaliana)少27% - 直到最近，它被认为是最小的植物基因组 - 几乎是水稻植物的一半。

“最令人惊讶的发现是洞察成熟基因的分子基础 - 一种永远年轻的生活方式，”资深作者 ， 罗格斯大学Waksman微生物研究所所长 Joachim Messing说 。

S. polyrhiza 叶子类似于子叶，植物种子内的胚胎叶子成为萌发后的第一片叶子。但是当其他植物在成熟时开发其他种类的叶子时， S。polyrhiza 从未进展并且不断产生子叶。这种幼年性状的延长被称为“neoteny” .S。polyrhiza 具有较少的促进基因和更多基因来抑制从幼年到成熟生长的转变。

“由于n​​eoteny减少，器官的发育和分化停滞不前。因此，这次逮捕使我们能够发现分化和发展所需的监管网络，“梅辛说。

同样令研究小组感兴趣的是哪些基因随着时间的推移而被保留，哪些基因不被保存。许多负责陆地栖息植物中纤维素和木质素生成的基因都缺失了，并且存在的那些基因的副本较少。与细胞壁相关的另一种化合物的基因称为“扩展蛋白”，其与细胞壁和根生长有关，也被减少。

另一方面，用于淀粉生产的基因被保留并且可能用于产生淀粉填充的tur and，由水生植物产生的专门的芽用于越冬，使它们沉入池塘的底部并在温暖的天气中恢复。此外，尽管总基因数量减少，但与 其他植物相比， S。polyrhiza对于参与氮吸收和代谢的酶具有更多的基因拷贝。这可能与植物在受污染水域中利用过量氮的能力有关。

彻底了解S. polyrhiza的基因组和细胞机制 可以大大增强目前招募浮萍作为生物燃料来源的努力。Messing估计浮萍将在未来五年内成为可行的生物燃料来源，并指向新泽西州的Ceres能源集团，该集团已经从浮萍生产电力。了解哪些基因产生哪些特性将使研究人员能够创造具有增强的生物燃料特性的新浮萍品种，例如增加纤维素的减少或增加淀粉或甚至更高的脂质产量。淀粉可以直接用作生物燃料来源，它可以转化为乙醇，玉米目前转化为乙醇燃料的方式，但油比乙醇具有更大的能量。

“由于克隆繁殖和稀有开花，经典育种或遗传学不适用于这里，但这些生物可以用DNA转化，”梅辛说。“因此，可以通过改进的工业应用途径创建新的变体。这些变种将是对现在可以做的事情的改进。“

该基因组作为DOE科学办公室JGI社区科学计划(CSP)项目(以前称为社区测序计划)的一部分进行测序。它体现了CSP在研究人员中实现的协作方法和创新项目。Messing指出该研究在以前的研究中取得了进展。

“这个基因组的测序开辟了水生植物分子生物学的新领域，”梅辛说。“该出版物代表了该领域的最大进步，也是植物分子生物学和进化的新里程碑，因为以前的研究是光合作用的经典植物学或生物化学。Spirodela基因组作为基础单子叶植物物种的放置将成为所有开花植物的新参考。“