浮萍是一種微小的漂浮植物，眾所周知，它可以驅(qū)使人們玩耍。它是最小和發(fā)展最快的開花植物之一，常常成為池塘和小湖泊中難以控制的雜草。但它也被用來(lái)清潔受污染的水，并作為生產(chǎn)藥品的來(lái)源?，F(xiàn)在，大浮萍(Spirodela polyrhiza)的基因組使這種微型植物作為生物燃料來(lái)源的潛力得到了極大的推動(dòng)。在 2014年2月19日發(fā)表在Nature Communications期刊上的一篇論文中 ，羅格斯大學(xué)，能源部聯(lián)合基因組研究所和其他幾個(gè)研究所的研究人員詳細(xì)介紹了S. polyrhiza的完整基因組 。 并與其他幾種植物(包括大米和西紅柿)進(jìn)行了對(duì)比分析。

簡(jiǎn)單而原始的浮萍植物由一個(gè)小的腎形葉片組成，大小與鉛筆頂部的橡皮擦一樣，漂浮在水面上，水下有一些細(xì)根。它幾乎在所有地理區(qū)域都有增長(zhǎng)，幾乎在任何高度。雖然它是一種開花植物，但它很少在其漂浮的葉子的下面形成小的不明顯的花朵。大多數(shù)情況下，它通過(guò)從作為親本葉片克隆的小葉子出芽來(lái)繁殖。它通常在池塘的邊緣，湖泊和沼澤的安靜入口處形成厚墊。它是增長(zhǎng)最快的植物之一，能夠在理想條件下在幾天內(nèi)使其人口翻倍。

這些和其他特性使其成為生物燃料原料的理想候選者 - 生物燃料生產(chǎn)的原始來(lái)源。例如，與陸地上的植物不同，浮萍不需要保持直立或?qū)⑺畯倪h(yuǎn)處的根部運(yùn)輸?shù)剿鼈兊娜~子，因此它們是相對(duì)柔軟和柔韌的植物，含有少量的木質(zhì)材料，如木質(zhì)素和纖維素。從原料中去除這些木質(zhì)材料一直是生物燃料生產(chǎn)中的主要挑戰(zhàn)。此外，雖然它們小到足以在許多環(huán)境中生長(zhǎng)，但與生產(chǎn)生物燃料的微生物不同，浮萍植物的大小足以容易收獲。

S.polyrhiza被 證明具有最小的已知植物基因組之一，約1.58億堿基對(duì)和少于20,000個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因。這比擬南芥(Arabidopsis thaliana)少27% - 直到最近，它被認(rèn)為是最小的植物基因組 - 幾乎是水稻植物的一半。

“最令人驚訝的發(fā)現(xiàn)是洞察成熟基因的分子基礎(chǔ) - 一種永遠(yuǎn)年輕的生活方式，”資深作者 ， 羅格斯大學(xué)Waksman微生物研究所所長(zhǎng) Joachim Messing說(shuō) 。

S. polyrhiza 葉子類似于子葉，植物種子內(nèi)的胚胎葉子成為萌發(fā)后的第一片葉子。但是當(dāng)其他植物在成熟時(shí)開發(fā)其他種類的葉子時(shí)， S。polyrhiza 從未進(jìn)展并且不斷產(chǎn)生子葉。這種幼年性狀的延長(zhǎng)被稱為“neoteny” .S。polyrhiza 具有較少的促進(jìn)基因和更多基因來(lái)抑制從幼年到成熟生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變。

“由于n??eoteny減少，器官的發(fā)育和分化停滯不前。因此，這次逮捕使我們能夠發(fā)現(xiàn)分化和發(fā)展所需的監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)，“梅辛說(shuō)。

同樣令研究小組感興趣的是哪些基因隨著時(shí)間的推移而被保留，哪些基因不被保存。許多負(fù)責(zé)陸地棲息植物中纖維素和木質(zhì)素生成的基因都缺失了，并且存在的那些基因的副本較少。與細(xì)胞壁相關(guān)的另一種化合物的基因稱為“擴(kuò)展蛋白”，其與細(xì)胞壁和根生長(zhǎng)有關(guān)，也被減少。

另一方面，用于淀粉生產(chǎn)的基因被保留并且可能用于產(chǎn)生淀粉填充的tur and，由水生植物產(chǎn)生的專門的芽用于越冬，使它們沉入池塘的底部并在溫暖的天氣中恢復(fù)。此外，盡管總基因數(shù)量減少，但與 其他植物相比， S。polyrhiza對(duì)于參與氮吸收和代謝的酶具有更多的基因拷貝。這可能與植物在受污染水域中利用過(guò)量氮的能力有關(guān)。

徹底了解S. polyrhiza的基因組和細(xì)胞機(jī)制 可以大大增強(qiáng)目前招募浮萍作為生物燃料來(lái)源的努力。Messing估計(jì)浮萍將在未來(lái)五年內(nèi)成為可行的生物燃料來(lái)源，并指向新澤西州的Ceres能源集團(tuán)，該集團(tuán)已經(jīng)從浮萍生產(chǎn)電力。了解哪些基因產(chǎn)生哪些特性將使研究人員能夠創(chuàng)造具有增強(qiáng)的生物燃料特性的新浮萍品種，例如增加纖維素的減少或增加淀粉或甚至更高的脂質(zhì)產(chǎn)量。淀粉可以直接用作生物燃料來(lái)源，它可以轉(zhuǎn)化為乙醇，玉米目前轉(zhuǎn)化為乙醇燃料的方式，但油比乙醇具有更大的能量。

“由于克隆繁殖和稀有開花，經(jīng)典育種或遺傳學(xué)不適用于這里，但這些生物可以用DNA轉(zhuǎn)化，”梅辛說(shuō)。“因此，可以通過(guò)改進(jìn)的工業(yè)應(yīng)用途徑創(chuàng)建新的變體。這些變種將是對(duì)現(xiàn)在可以做的事情的改進(jìn)。“

該基因組作為DOE科學(xué)辦公室JGI社區(qū)科學(xué)計(jì)劃(CSP)項(xiàng)目(以前稱為社區(qū)測(cè)序計(jì)劃)的一部分進(jìn)行測(cè)序。它體現(xiàn)了CSP在研究人員中實(shí)現(xiàn)的協(xié)作方法和創(chuàng)新項(xiàng)目。Messing指出該研究在以前的研究中取得了進(jìn)展。

“這個(gè)基因組的測(cè)序開辟了水生植物分子生物學(xué)的新領(lǐng)域，”梅辛說(shuō)。“該出版物代表了該領(lǐng)域的最大進(jìn)步，也是植物分子生物學(xué)和進(jìn)化的新里程碑，因?yàn)橐郧暗难芯渴枪夂献饔玫慕?jīng)典植物學(xué)或生物化學(xué)。Spirodela基因組作為基礎(chǔ)單子葉植物物種的放置將成為所有開花植物的新參考。“