贪食植物揭示了它的细胞能量植物如何吞噬外来DNA

Amborella trichopoda一种生长在偏远的南太平洋上的一个岛上的灌木丛，是其家族和属中唯一的植物。它也是最古老的开花植物之一，大约在2亿年前从其他植物中分枝开来。现在，印第安纳大学，美国能源部联合基因组研究所(DOE JGI)，宾夕法尼亚州立大学和新喀里多尼亚发展研究所的研究人员已经确定了该植物关键能量基因组的显着扩展 - 生成结构。它的线粒体，植物的能量产生细胞器，在水平基因转移的史诗般的证明中，获得了六个基因组当量的外来DNA - 一个来自苔藓，三个来自绿藻，两个来自其他开花植物。

12月20日发表在“ 科学 ”杂志上的调查结果的高级作者印第安纳的帕尔默说：“它吞噬了其他植物和藻类的全基因组，并将其保留在非常完整的形式中。” 这项工作报告了Amborella基因组暴食的程度。

DOE JGI工厂计划的重点是光合作用的基础生物学，太阳能转化为化学能，以及陆地植物和海洋浮游植物在全球碳循环中的作用。生成这个已发表的工作中引用的模型提供了一个改进的框架，进一步详细说明了真核生物 - 植物，真菌，藻类中线粒体融合和基因转移的起源和机制。如文中所述，通过伤害转移基因不仅适用于与Amborella和谐寄生虫一致的植物。通过扩展，从Amborella中消耗资源的植物寄生虫组是世界上最大的开花植物群的代表。植物计划的另一个重点是了解候选“生物燃料作物”的健康增长以及植物害虫存在的威胁。DOE JGI及其合作者正在构建一个基因注释数据集，通过其合作发现，并通过Phytozome [http://www.phytozome.net/]提供并存入DOE的系统生物学知识库(KBase) )[http://kbase.science.energy.gov/]。

在美国能源部JGI的社区测序计划下开始对整个线粒体基因组进行测序，这项工作耗时8年。为了收集研究样本，研究人员不得不长途跋涉到植物生长的唯一地方：Grande Terre，新喀里多尼亚的主要岛屿，一个距离澳大利亚东海岸750英里的小国。

研究人员首次尝试对这种DNA进行测序并不像他们希望的那样富有成效。尽管他们能够对基因进行测序，但他们用来扩增DNA的技术并不能让他们自信地构建全基因组装配。Palmer说，这意味着要回到绘图板并制作第二个独立的基因组草图。印第安纳州的丹尼·赖斯(Danny Rice)是该论文的第一作者，然后将这两个组合合并为一个完整的基因组组装。

“简而言之，获得Amborella线粒体基因组的完整组装需要数年时间和几个人的努力，”帕尔默说。“但这非常值得，因为基因组是如此完全不同寻常，惊人且充满惊喜和机制见解。”完整的序列也是必要的，以排除任何外来DNA是污染的结果或是Palmer说，整合在细胞核而不是线粒体中。Amborella

的DNA通过水平基因转移吸收和保留的线粒体数量至少达到一百万个碱基对，其线粒体基因组现在膨胀至390万碱基对的巨大大小，而典型的植物线粒体基因组大小约为500,000。很久以前，动物线粒体几乎停止了这种基因转移过程。

该研究为植物线粒体通过与其他物种的线粒体融合而具有新特性的假设提供了强有力的证据。在Amborella中，线粒体有很多机会与其他植物的线粒体接触，例如附生植物，在其他植物上生长的植物。受伤时，Amborella通常在这些位置产生快速生长，这是一种虚拟培养皿，用于使不同物种的线粒体彼此直接接触。随着时间的推移，线粒体基因的丢失率很低，导致了Amborella巨大的线粒体DNA过剩。

帕尔默列举了几种激发Amborella线粒体基因组内脏的激励因素。“尽管它们含有相对少量的基因，但植物线粒体基因组在基础代谢方面具有不成比例的重要性。这是因为它们编码了大部分与呼吸有关的关键蛋白。“他还指出植物线粒体基因的缺陷会导致细胞质雄性不育 - 当植物不能产生功能性花粉时 - 这是杂交种子生产的一个至关重要的农艺性状。他说，植物线粒体基因组研究的结果也可以推断到其他线粒体基因组，例如，揭示细胞衰老的机制。