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圖片來源：Ray Bilcliff from Pexels

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我們對于動植物進化方面的大部分知識和概念都是建立在遺傳信息從父母傳遞給后代的基礎(chǔ)上。然而，這些本已經(jīng)得到普遍認同的觀點又一次被強大的進化力量挑戰(zhàn)。

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近日，發(fā)表在《新植物學家》（New phyologist）上的一項新研究中，由英國謝菲爾德大學領(lǐng)導的研究團隊發(fā)現(xiàn)，在全球范圍內(nèi)種植的禾本科植物，如小麥、玉米、水稻和大麥等，竟然可以跨越廣泛的進化距離將遺傳物質(zhì)從一種植物轉(zhuǎn)移到另一種植物中。這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)更能抵抗氣候變化影響的作物提供了重要信息，并將有助于解決糧食安全問題。

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這種基因轉(zhuǎn)移過程被稱為側(cè)向基因轉(zhuǎn)移（LGT，也稱橫向基因轉(zhuǎn)移）。一個物種的適應潛力受到其進化史、現(xiàn)有遺傳變異數(shù)量和新突變的限制，LGT使其能夠通過在已經(jīng)進化出重大生殖障礙的品系之間交換遺傳物質(zhì)來克服這些限制。它是一種強大的進化力量，對物種及其后代的進化軌跡產(chǎn)生深遠影響。LGT可以使作物向著更快、更高、更強生長，并能迅速適應新環(huán)境。

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在這項研究中，研究人員使用系統(tǒng)發(fā)育基因組學方法將17種不同的草基因組進行了掃描，并對它們之間的LGT進行量化。采樣的物種屬于五種不同的禾本科植物，涉及8000多個物種，占整個家族多樣性的70%以上。每一種植物都由至少兩個不同的物種代表，這使研究人員可以監(jiān)測它們之間轉(zhuǎn)移的基因數(shù)量。此外，這些物種還代表了它們各自的馴化狀態(tài)、生長策略、基因組信息和倍性水平。

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研究人員發(fā)現(xiàn)，在所篩選的17個物種中，都發(fā)生了側(cè)向基因轉(zhuǎn)移（LGT）。不僅野生物種中能檢測到LGT，而且主要作物品種中也能檢測到。例如，玉米（Zea mays）從虎尾草亞科（Chloridoideae）和黍亞科（Paniceae）“轉(zhuǎn)”來了11個LGT；而小麥（Triticum aestivum）從高粱族（Andropogoneae）、虎尾草亞科（Chloridoideae）和黍亞科（Paniceae）那里“轉(zhuǎn)”來了10個LGT（見下表）。

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研究人員表示，這些側(cè)向基因轉(zhuǎn)移（LGT）可能對作物有益，因為轉(zhuǎn)移的基因位點包括一些與非生物脅迫耐受性和抗病性有關(guān)的功能。

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研究通訊作者、謝菲爾大學植物科學系Luke Dunning博士說：“通過從'鄰居'那里借來基因，禾本科植物走上了一條進化捷徑。雖然只有相對較小比例的基因在物種之間轉(zhuǎn)移，但這一過程使讓它們可以從其他物種中‘挑三揀四’。”

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這項新發(fā)現(xiàn)迫使我們應該重新考慮對轉(zhuǎn)基因糧食作物的看法，因為現(xiàn)實已經(jīng)很明顯，無論是野生物種，還是農(nóng)作物都在使用非常相似的過程。側(cè)向基因轉(zhuǎn)移（LGT）可以使遺傳物質(zhì)跨越更廣泛的進化距離，這意味著它可能比通過有性繁殖和染色體重組進行雜交產(chǎn)生更大的影響。

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研究第一作者、謝菲爾大學植物科學系Samuel Hibdige博士說：“我們還不知道這是如何發(fā)生的，也不知道其全部影響是什么，但側(cè)向基因轉(zhuǎn)移確實廣泛存在于禾本科植物中，也就是我們大部分食用的農(nóng)作物。我們在它們中檢測到了外源DNA，這表明外源DNA并不局限在具有特定性狀的物種?！?/p>

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該團隊表示，在未來的工作中，他們將確定草類物種中側(cè)向基因轉(zhuǎn)移背后的生物學機制，并將調(diào)查這是否是有助于作物品種發(fā)展的持續(xù)過程。


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