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文 | 盧曉雨

出品 | 海潮天下

在漫長(zhǎng)的進(jìn)化歷程中，植物從最早的苔蘚到如今的繁榮森林、農(nóng)作物，經(jīng)歷了劇變與挑戰(zhàn)。那么，植物究竟如何在數(shù)億年內(nèi)實(shí)現(xiàn)遺傳信息的穩(wěn)定性與功能的精準(zhǔn)調(diào)控？2026年3月12日，由劍橋大學(xué)塞恩斯伯里實(shí)驗(yàn)室、耶路撒冷希伯來大學(xué)和冷泉港實(shí)驗(yàn)室的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)合作，在《科學(xué)》期刊上發(fā)表了一項(xiàng)突破性的研究，揭曉了答案。他們開展了基因組數(shù)據(jù)分析，從284種植物中發(fā)現(xiàn)了200多萬個(gè)古老的“主開關(guān)”——這些被稱為順式作用元件的非編碼DNA序列，實(shí)際上是植物精準(zhǔn)調(diào)控基因表達(dá)的核心機(jī)制。

植物的獨(dú)特性，并非僅由蛋白質(zhì)編碼基因決定。過去，生物學(xué)家們主要集中在基因組中那占2%左右的編碼序列，認(rèn)為它們才是生物的“本質(zhì)”。但隨著基因組學(xué)的進(jìn)步，越來越多的證據(jù)表明，像人類和黑猩猩的蛋白質(zhì)編碼基因相似度高達(dá)98%，那么物種間的差異究竟來自哪里？真正的秘密，在那些看似“無用”的非編碼DNA序列中。這些序列就像指揮家手中的指揮棒，精確掌控著基因的“開關(guān)”，決定了它們?cè)诤螘r(shí)、何地、以何種強(qiáng)度表達(dá)。而在動(dòng)物中，這些保守的非編碼序列早已被證明是演化的關(guān)鍵，而植物研究則在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)未能揭開它們的面紗。

植物基因組的復(fù)雜性常讓遺傳學(xué)家頭疼。植物的基因組經(jīng)常發(fā)生大規(guī)模的加倍，之后伴隨著基因的丟失和染色體重排。這種基因組重塑機(jī)制為植物提供了應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的靈活性，也讓科學(xué)家很難確定基因與調(diào)控開關(guān)之間的明確聯(lián)系。過去，很多研究者認(rèn)為植物的保守非編碼序列非常少，而且大多是在較新的演化階段才出現(xiàn)的。

（圖文無關(guān)）江南早春2月的雨后，一棵大樹的樹干上，苔蘚和殼狀地衣的共生群落。?Linda Wong 攝影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

為了打破這個(gè)難題，瑪?shù)铝铡ぐ吞乩亟淌陬I(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種全新的計(jì)算平臺(tái)，對(duì)284個(gè)物種、涵蓋73個(gè)植物科的龐大數(shù)據(jù)集進(jìn)行了分析，揭示了植物基因組演化的動(dòng)態(tài)規(guī)律。

藉此，研究團(tuán)隊(duì)能夠識(shí)別那些歷史悠久、位置變動(dòng)但仍然緊密耦合的基因與調(diào)控開關(guān)，并且找到了200萬個(gè)古老的“主開關(guān)”。令人驚訝的是，其中許多調(diào)控序列可以追溯到三億多年前——在開花植物尚未占主導(dǎo)地位之前，這些序列便已經(jīng)形成并得以保存至今。

這項(xiàng)研究的核心意義在于：植物基因組的真正力量，也在于那些精密調(diào)控基因的“開關(guān)”網(wǎng)絡(luò)。它們?cè)趦|萬年的自然選擇中生死存亡，任何突變都可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，這也是這些序列能夠跨越三億年仍然存在的原因。

如今，農(nóng)業(yè)面臨著氣候變暖、病蟲害威脅和日益增長(zhǎng)的糧食需求等重大挑戰(zhàn)。如何在更短時(shí)間內(nèi)、更加精準(zhǔn)地培育理想作物性狀？雖然基因編輯技術(shù)已然成熟，但問題在于：我們到底應(yīng)該編輯哪些區(qū)域？傳統(tǒng)的基因編輯往往依靠“粗暴”的手段——比如直接敲除基因或插入多個(gè)基因拷貝。這種方法就像是用錘子修鐘表，雖然能改變性狀，但副作用往往也非常大。以番茄為例，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)如果直接改變控制果實(shí)發(fā)育的CLAVATA3基因，番茄不僅會(huì)變得巨大，形狀也會(huì)變得扭曲，甚至難以食用。

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上圖：槲（hú）蕨（拉丁學(xué)名：Drynaria roosii Nakaike），別名為猴姜、猢猻（sūn）姜、石毛姜等，是水龍骨科槲蕨屬植物。 被世界自然保護(hù)聯(lián)盟列為無危（LC）物種。?Linda Wong 攝影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

但是，如果將焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向這些新發(fā)現(xiàn)的“主開關(guān)”，問題就截然不同了。這些非編碼序列如同精準(zhǔn)的微調(diào)旋鈕，允許我們對(duì)基因的表達(dá)量進(jìn)行細(xì)微調(diào)控。例如，可以讓果實(shí)稍微增大，或者提高植物的耐旱性，而不會(huì)影響植物的整體生理平衡。研究人員指出，這種“微調(diào)式”育種策略，才是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。借助“溫室項(xiàng)目”提供的數(shù)據(jù)庫(kù)，科學(xué)家們可以精準(zhǔn)找到調(diào)控農(nóng)作物關(guān)鍵性狀的“主開關(guān)”，進(jìn)而進(jìn)行精準(zhǔn)編輯，培育出更符合需求的優(yōu)質(zhì)作物。

團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，200萬個(gè)發(fā)現(xiàn)的“主開關(guān)”只是冰山一角。盡管現(xiàn)有的計(jì)算工具非常強(qiáng)大，但依然有許多隱藏更深的調(diào)控元件尚未被發(fā)現(xiàn)。如今，整個(gè)數(shù)據(jù)集已經(jīng)公開，全球科研人員可以自由查閱和使用。這標(biāo)志著植物科學(xué)從“識(shí)別基因”邁向“理解調(diào)控”的新階段，未來可以更加高效地改良水稻、玉米、小麥等主糧，同時(shí)為具有經(jīng)濟(jì)或生態(tài)價(jià)值的植物提供保護(hù)和開發(fā)的理論依據(jù)。

自然界在數(shù)億年前就完成了“代碼優(yōu)化”，植物在進(jìn)化中保留下來的這些非編碼序列，實(shí)際上是地球環(huán)境變化的最真實(shí)記錄。深入理解這些“開關(guān)”的運(yùn)作原理，也意味著我們可以揭開植物如何在極端氣候下生存、如何在貧瘠土壤中扎根的秘密，讓曾經(jīng)被視為“垃圾DNA”的區(qū)域，成為生命科學(xué)領(lǐng)域最寶貴的寶藏。

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信息源 | Kirk R. Amundson et al. (2026)

文 | 盧曉雨

指導(dǎo)老師 | Linda

排版 | LXY

時(shí)間 | 2026年3月

【參考資料】

感興趣的海潮天下（Marine Biodiversity）讀者可以參看該研究的全文：

Kirk R. Amundson, Anat Hendelman, Danielle Ciren, Hailong Yang, Amber E. de Neve, Shai Tal, Adar Sulema, David Jackson, Madelaine E. Bartlett, Zachary B. Lippman, Idan Efroni (Science, 2025). 'A deep-time landscape of plant cis-regulatory sequence evolution'. DOI: 10.1126/science.adt8983

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt8983

https://www.cam.ac.uk/research/news/scientists-uncover-two-million-ancient-dna-switches-controlling-plant-genes

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