一個國際研究小組確定了跟地球上最惡劣環境之一–智利的阿塔卡馬沙漠中的植物生存有關的基因。他們的研究結果發表在《Proccedings of the National Academy of Science》上，這可能有助於科學家培育出能在日益乾燥的氣候中茁壯成長的、具有彈性的作物。
紐約大學(NYU)生物系和基因組學與系統生物學中心的Carroll & Milton Petrie教授Gloria Coruzzi表示：“在一個氣候變化加速的時代，揭開遺傳基礎以提高作物生產和在乾燥和營養貧乏條件下的復原力是至關重要的。”據悉，他跟Rodrigo Gutiérrez共同領導了這項研究。
這項研究是植物學家、微生物學家、生態學家、進化和基因組科學家之間的一次國際合作。這種獨特的專業知識組合使該團隊得以確定讓阿塔卡馬植物能適應極端沙漠條件並在其中生長的植物、相關微生物和基因，這最終可能有助於提高作物生長和減少糧食不安全。
智利天主教大學分子遺傳學和微生物學系教授Gutiérrez說道：“我們對阿塔卡馬沙漠植物的研究跟世界各地正變得越來越乾旱的地區直接相關，乾旱、極端溫度及水和土壤中的鹽分等因素對全球糧食生產構成重大威脅。”
在地球上最乾燥的地方之一建立一個“自然實驗室”
智利北部的阿塔卡馬沙漠夾在太平洋和安第斯山脈之間，是地球上最乾燥的地方（不包括兩極）。然而，那裡生長着幾十種植物，其中包括草、一年生植物和多年生灌木。除了有限的水之外，阿塔卡馬的植物還必須應對高海拔、土壤中可利用的營養物質少及極高的陽光輻射。
智利研究小組在阿塔卡馬沙漠建立了一個無與倫比的“自然實驗室”，歷時10年，他們在Talabre-Lejía Transect橫斷面不同植被區和海拔高度（每100米的海拔高度）的22個地點收集並描述氣候、土壤和植物的特徵。通過測量各種因素，研究人員們記錄了從白天到晚上波動超50度的溫度、非常高的輻射水平、主要是沙子和缺乏養分的土壤、極少的雨水、大部分在幾天內下降的年降雨量。
利用基因組學探索有彈性的植物的進化
智利的研究人員將保存在液氮中的植物和土壤樣本帶回實驗室、對阿塔卡馬地區32種主要植物物種中表達的基因進行測序並根據DNA序列評估跟植物相關的土壤微生物。他們發現，一些植物物種在其根部附近發展了促進生長的細菌，這是一種適應性策略，以優化氮的攝入–在阿塔卡馬貧氮土壤中對植物生長至關重要的營養物質。
為了確定蛋白質序列在阿塔卡馬物種中的適應性基因，紐約大學的研究人員接下來使用了一種叫做系統發育組學的方法展開了分析，該方法旨在利用基因組數據重建進化歷史。在跟紐約植物園的同事協商后，他們將32種阿塔卡馬植物的基因組跟32種非適應性但基因相似的“姐妹”物種以及幾個模型物種進行了比較。
“目標是利用這個基於基因組序列的進化樹來確定支持阿塔卡馬植物適應沙漠條件的進化的基因中編碼的氨基酸序列的變化，”Coruzzi說道。
“這種計算密集的基因組分析涉及到比較70多個物種的1686950個蛋白質序列，”Gil Eshel表示，“我們利用由此產生的8599764個氨基酸的超級矩陣對阿塔卡馬物種的進化歷史進行系統發育重建。”據悉，他利用NYU的高性能計算集群進行了這項分析。
該研究確定了265個候選基因，這些基因的蛋白質序列變化是由多個阿塔卡馬物種的進化力量選擇的。這些適應性突變發生在可能成為植物適應沙漠條件的基礎的基因中–其中包括涉及對光和光合作用反應的基因，這可能使植物適應阿塔卡馬的極端高光輻射。同樣，研究人員還發現了參與調節應激反應、鹽、解毒和金屬離子的基因，這可能跟這些阿塔卡馬植物適應其壓力大、營養貧乏的環境有關。
我們可以從這個“基因金礦”中學到什麼
有關植物脅迫反應和耐受性的大部分科學知識是通過使用少數模型物種的傳統實驗室研究產生的。雖然有好處，但這種分子研究可能錯過了植物進化的生態環境。
Gutierrez實驗室的智利天主教大學的Viviana Araus指出：“通過研究自然環境中的生態系統，我們能在面臨共同嚴酷環境的物種中識別出適應性基因和分子過程。”
Gutiérrez則表示：“我們在這項研究中表徵的大多數植物物種以前都沒有被研究過。由於一些阿塔卡馬植物跟主食作物密切相關，包括穀物、豆類和馬鈴薯，我們確定的候選基因代表了一個基因金礦，其可以設計出更有彈性的作物，鑒於我們星球的荒漠化加劇，這是一個必要條件。”