發現迄今最大的基因組，是人類基因組的50多倍！_風聞

圖源：Oriane Hidalgo，Royal Botanic Gardens

這種毫不起眼的小植物，基因組的大小卻創下了世界紀錄。令人驚訝的是，擁有更大的基因組通常並不是一種優勢。就植物而言，擁有大量DNA的物種只能是那種生長緩慢的多年生植物，它們的光合作用效率更低，而且需要更多養分，才能生長並與周圍那些有着較小基因組的物種成功競爭。

撰文 | 呂毛尖

迄今為止，全球科學家已經估算出超過兩萬種真核生物的基因組大小，揭示了生命之樹上基因組大小的巨大差異。在動物中，最大的基因組包括石花肺魚（Protopterus aethiopicu）和紐斯河泥螈（Necturus lewisi），它們的基因組都達到了約120 Gbp（千兆鹼基對）。而一些植物的基因組還更大。此外，基因組的大小差異也很明顯。就植物而言，最大的基因組和最小的基因組相差2400倍。

真核生物的基因組。右側縱軸單位為Gbp/1C（兆億鹼基對/細胞）。（圖/Fernández et al., iScience）

2010年以來，已知最大的基因組一直由一種日本花卉植物品種衣笠草（Paris japonica）保持着。這種植物的基因組大小為148.89 Gbp（1488.9億鹼基對）。

衣笠草。（圖/Alpsdake，Wikimedia Commons，CC BY-SA 4.0）

最近，這個紀錄被打破了。在發表於iScience雜誌上的一項新研究中，研究人員在來自新喀里多尼亞島的一種梅溪蕨Tmesipteris oblanceolata中，發現了一個更大的真核基因組。這一新紀錄為160.45 Gbp，比衣笠草的基因組還要大7%。它的DNA展開長度超過100米，是人類基因組（約3.2 Gbp）的50多倍。此外，這種植物還獲得了“最大植物基因組”“最大基因組”和“最大蕨類植物基因組”三項吉尼斯世界紀錄。

罕見的梅溪蕨

T. oblanceolata是一種罕見的蕨類植物，產於法屬新喀里多尼亞，位於西南太平洋。它屬於梅溪蕨屬，這是一種獨特而迷人的小型蕨類植物屬，還沒有得到充分研究，由大約15個物種組成。它們的祖先大約在3.5億年前進化而來，甚至遠早於恐龍踏足地球。這類蕨的主要特徵是附生，它們生長在樹幹和樹枝上，而且僅僅分佈在大洋洲和幾個太平洋島嶼上。

根據先前的研究，梅溪蕨屬的物種應該包含着巨型基因組。科學家先前估算出了兩個梅溪蕨物種的基因組大小，包括T. tannensis和T. obliqua。這兩個物種的基因組都很巨大，分別有73.19 Gbp和147.29 Gbp。

在新的研究中，研究人員開始對新喀里多尼亞南太平洋島嶼上發現的6個梅溪蕨物種進行詳細調查。他們從蕨類植物的葉子上提取細胞，分離出含有基因組的細胞核。他們用熒光染料對細胞核的DNA染色，然後比較這些細胞核與一些基因組較小的植物的細胞核所發出熒光的程度，從而計算出每種梅溪蕨的基因組大小。

這種打破紀錄的物種（Tmesipteris oblanceolata）在森林的地面上很不起眼。（圖/Pol Fernandez & Oriane Hidalgo，Royal Botanic Gardens）

計算結果表明，最長只有15釐米、主要生長在較大的森林植物上的T. oblanceolata，基因組卻有160.45 Gbp。如果把這種物種的每個細胞核中的DNA展開，那會比倫敦大本鐘（96米）還要高。相比之下，如果把人類基因組像毛線球那樣拉開，長度只有兩米左右。

多樣的基因組

基因組的大小對生物的解剖結構具有深遠的影響，因為更大的基因組需要更大的細胞才能容納，而且要花更長的時間來複制。此外，基因組的大小還對生物的功能、進化、生活地點和生活方式有着深遠的影響。

真核生物界中一些最大的基因組，以拉丁學名標註。（圖/Fernández et al., iScience）

令人驚訝的是，擁有更大的基因組通常並不是一種優勢。就植物而言，擁有大量DNA的物種只能是那種生長緩慢的多年生植物，它們的光合作用（植物將太陽能量轉化為糖分的過程）效率更低，而且需要更多養分（尤其是氮和磷酸鹽），才能生長並與周圍那些有着較小基因組的物種成功競爭。之所以會這樣，是因為細胞每次分裂都要複製100多米長的DNA，這需要消耗大量能量。反過來，這些因素可能會影響植物適應氣候變化的能力和滅絕的風險。

這就帶來了一個問題，T. oblanceolata龐大的基因組從何而來。通常而言，植物基因組急劇膨脹的一種方式是繼承整個染色體的額外拷貝，或者是積累了長段的重複DNA序列。還有進化學家推測，一些擁有巨大基因組的植物會不會曾經歷過多次遺傳瓶頸，也就是説，物種經歷了多輪種羣萎縮和遺傳多樣性喪失。在這樣的過程中，許多有害突變會積累起來。大量“垃圾DNA”可能在形成如此龐大的基因組中發揮了作用。對T. oblanceolata這類龐大基因組進行詳細分析和測序，或許就能揭示它們如此巨大的基因組從何而來。

T. oblanceolata的發現還引出了另一個問題：它是否已經達到或者接近了基因組大小的生物極限。維持如此龐大的遺傳物質會讓事情變得非常複雜，目前還不清楚這些基因是如何運轉的。

或許很難想到，這種毫不起眼的小植物，基因組的大小卻創下了世界紀錄。從DNA層面來看，植物的多樣性難以置信。植物王國還有很多我們不知道的東西，世界紀錄保持者並不總是那種外表光鮮耀眼的。

參考來源

[1] https://www.kew.org/about-us/press-media/worlds-largest-genome

[2] https://www.sciencedaily.com/releases/2010/10/101007120641.htm

[3] https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(24)01111-8

[4] https://www.sciencenews.org/article/largest-genome-tiny-fern

本文經授權轉載自微信公眾號“原理”。

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