Arabidopsis
在1905年的德国，20岁的植物学生Friedrich 在家乡林堡附近的兰河岸边，Laibach采摘了一株小草，保存在乙酸溶液中。回到波恩大学的实验室后，Laibach在显微镜下染色了植物的细胞，发现细胞中只有5个染色体，这是一个令人兴奋的发现，因为科学界知道的染色体数量是奇数时的最小数量是5个。这种植物是拟南芥（Arabidopsis thaliana），虽然Laibach在20世纪30年代被高速公路覆盖，但它已经成为生物学研究中最重要的工具之一。
如今，拟南芥早已成为一种用于基础功能研究的模式生物，并在未来得到广泛应用。拟南芥具有染色体数量少、植物小、生命周期短、结子多等特点。此外，它也是第一个完全测序基因组的植物。拟南芥基因组计划花费7年7000万美元（AGI，Arabidopsis Genome Initiative）来自欧洲、日本和美国的研究人员合作完成 [1]，此时距离1753年的Carl 为了纪念首次描述这种植物的德国植物学家Johanes Thal命名为Arabiss 距离1943年Elliottiotana已经240年了 在过去的50年里，Meyerowitz首次发现其作为模型生物的潜力 [2]。
Arabidopsis thaliana (source: Arabidopsis thaliana - Alchetron, The Free Social Encyclopedia)
Arabidopsis
Salk InstituteJoanne chory和Joseph Ecker在拟南芥基因组计划在美国启动的过程中做出了重要贡献。Ecker说:“90年代初，酵母、果蝇、蠕虫、老鼠等所有模式生物都在如火如荼地进行全基因组测序。”，“所以当时研究拟南芥的人都提出了这样的问题。要不要让其他物种的测序工作领先于拟南芥？如果在其他生物模式下开发出更好的研究工具，有人愿意继续研究植物吗？如果在其他生物模式下开发出更好的研究工具，有人愿意继续研究植物吗？” Chory在1989年发表的研究论文中报道，拟南芥突变体DET可以在黑暗中生长，其独特之处在于将基因技术应用于探索植物生理问题，揭示了植物感光的复杂途径 [3]。由于缺乏完整的序列、基因识别和克隆工具的局限性，这项在植物学领域产生了重大影响的研究在当时相当困难。
随着拟南芥基因组的分析，Chory将DET1基因定位为4号染色体，然后在1994年确定了基因组的序列和具体位置 [4]。在某种程度上，这项工作涉及到在DNA片段库中找到与最近标记重叠的片段，称为“染色体步移”（chromosome walking）” 重复搜索过程，最终找到感兴趣的基因。AGI使研究人员更容易在拟南芥基因组中定位基因。例如，他们可以搜索基因的DNA序列，或者检查已知的序列是否存在于拟南芥基因组中。更重要的是，有可能通过遗传转化来识别未知基因。研究人员开发了T-DNA插入法，定位和测序相应区域进行基因识别。目前，研究人员已成功识别了约2.8万个基因。由Ecker等构建的“Salk lines最著名的拟南芥T-DNA插入突变体库 [5]到目前为止，该数据库已被访问1100多万次，并为全球拟南芥研究人员提供了突变体。
Joanne Chory
Joseph Ecker
Arabidopsis
受当时测序技术的限制，更适合短而可变序列。AGI没有完成拟南芥整个基因组的组装，有丝粒（centromere）是遗留下来的未测序和组装区域，Salk InstituteTodd Michael参与了这个测序和组装，包含了更长的重复片段 [6]。作为基因组测序、组装和分析的专家，Michael从拟南芥的研究逐渐扩展到其他物种。2015年，他首次报道了抗旱草 thomaeum的近完整基因组揭示了完整的丝粒结构 [7]最近，他的实验室也完成了水生植物浮萍（Wolffia）基因组测序，这种具有独特光合作用的水生生物是世界上生长最快的植物 [8]。
此外，Michael还参与了高粱（sorghum）高粱作为世界五大谷类植物之一，具有良好的抗旱性能，在贫瘠的土地上生长良好，在全球变暖下具有重要的农业价值。虽然高粱基因组十年前已经完成了测序，但研究人员希望通过测序更多的育种系统和野生亲属系统来培育新的抗病、抗旱和高产品种。Michael致力于测序具有独特结构和功能的植物，以揭示如何更好地响应和利用基因组差异的环境。这些知识对Harnesing进行了测序 Plants Initiative（HPI）至关重要，Salk Institute旨在开发作物和湿地植物捕获和储存大气CO2的能力，探索缓解气候变暖的方法。
Salk InstituteWolfgang Busch和Chory是HPI项目的共同负责人，他致力于通过全基因组关联分析（GWAS）探索与植物不同株系特征相关的基因和机制。在其中一项研究中，Busch利用遗传学、基因组学、计算生物学和分子细胞生物学的结合来确定植物基因蓝图中如何编码根的特异性。经过多年的研究，busch识别了大量的基因，包括一种可以调节植物根系更深层次的基因 [9]目前，带有这种基因的作物可以借助更深的根储存更多的COBusch，并在温室和多个试验场进行实验，以促进该结果的应用。
Salk Institute的研究人员也关注影响植物表面遗传的相关机制，Julie Law的研究不仅是HPI计划的重要组成部分，而且与人类健康和疾病的研究有一定的相关性，因为相同的表观遗传过程不仅发生在植物细胞中，而且在心脏、肝脏和皮肤中也存在相同的基因，但由于它们参与不同的激活基因，功能上存在差异。Law发表的一项研究探讨了拟南芥CLSY家族在植物发育过程中如何调节DNA甲基化。研究发现，在不同的植物组织中，不同的CLSY家族首先瞄准DNA甲基化位置，导致DNA甲基化模式在不同组织中的差异 [10]。考虑到DNA甲基化在调节基因表达过程中的重要性，这些发现可能有助于从提高作物产量到人类精准医疗。
2021年Chory和Ecker发表的一项研究揭示了另一种表观遗传机制，表明邻近植物产生的遮光效果会使植物生长得更高。研究发现，在模拟遮光实验中，缺乏PIFS转录因子的拟南芥突变体表现为延长和快速生长的停止。进一步研究表明，PIF7蛋白在遮光开始后5分钟内被激活，表观停止信号H2A.Z移除 [11]。随着生长中的“基因刹车”被松开，覆盖的植物生长得更快。“这项研究显示了植物如何在细胞水平上应对环境的微妙变化，随着植物本身对全球气候变化的适应，这种反应将会越来越多。”
Joseph Noel的研究兴趣集中在探索植物对地球环境中各种生态系统的适应性，并利用生化手段分析不同植物生产的化合物的结构和化学性质。例如，Noel对富碳分子软木脂（suberin）该分子能保护其免受干旱、洪水、病害、高盐等环境胁迫的影响。本研究旨在开发湿地植物，以达到更好的储碳、净水和土地保护效果，并在各种具有挑战性的环境中生长。“人们还没有真正意识到湿地在环境变化中的重要性，”Noel说。“每英亩湿地植物吸收的碳是旱地植物的100倍，因此HPI计划的重要组成部分是湿地植物的基因组，为湿地恢复日益紧迫的工作提供了基础。”
Harnessing Plants 利用地球上植物根系和湿地的储碳机制，Initiative旨在帮助缓解气候变化。Salk Institute的植物生物学家致力于作物的改良，以吸收大气中过剩的CO2.将其储存在土壤中，并利用根系强大的储碳能力密封碳。自2000年第一个拟南芥基因组发布以来，测序技术得到了极大的发展，国际合作项目AGI花费了7年7000万美元。如今，Ecker可以在3分钟内完成拟南芥基因组的测序，费用约为16美元。Salk Institute的研究人员致力于通过自己的努力为缓解气候变化带来的全球环境问题提供解决方案。
[tag]花卉知识[end]
拟南芥,花卉知识