一个国际研究小组已经确定了与地球上最恶劣环境之一的植物生存相关的基因：智利的阿塔卡马沙漠。他们的研究结果发表在国家科学院院刊(PNAS)上，可能有助于科学家培育出能够在日益干燥的气候中茁壮成长的弹性作物。

纽约大学(NYU)系Carroll&MiltonPetrie教授GloriaCoruzzi说：“在气候变化加速的时代，揭示遗传基础以在干旱和营养贫乏的条件下提高作物产量和恢复力至关重要。生物学和基因组学和系统生物学中心，他与RodrigoGutiérrez共同领导了这项研究。

该研究是植物学家、微生物学家、生态学家、进化和基因组科学家之间的国际合作。这种独特的专业知识组合使团队能够识别植物、相关微生物和基因，使阿塔卡马植物能够适应极端沙漠条件并在极端沙漠条件下繁衍生息，最终有助于促进作物生长并减少粮食不安全。

“我们对阿塔卡马沙漠植物的研究与世界各地日益干旱的地区直接相关，干旱、极端温度以及水和土壤中的盐分等因素对全球粮食生产构成了重大威胁，”古铁雷斯说，智利天主教大学分子遗传学和微生物学系教授。

在地球上最干燥的地方之一建立“天然实验室”

智利北部的阿塔卡马沙漠夹在太平洋和安第斯山脉之间，是地球上最干燥的地方(不包括两极)。然而，那里生长着数十种植物，包括草、一年生植物和多年生灌木。除了有限的水之外，阿塔卡马的植物还必须应对高海拔、土壤中养分的低可用性以及阳光的极高辐射。

智利研究团队历时10年在阿塔卡马沙漠建立了一个无与伦比的“自然实验室”，他们在不同植被区和海拔(每100米海拔)的22个地点收集并表征了气候、土壤和植物。)沿Talabre-Lejía横断面。通过测量各种因素，他们记录了昼夜波动超过50度的温度、非常高的辐射水平、主要是沙子且缺乏养分的土壤以及最少的降雨，大多数年降雨都在几天之内。

使用基因组学探索弹性植物的进化

智利研究人员将保存在液氮中的植物和土壤样本带回1,000英里的实验室，对阿塔卡马地区32种优势植物中表达的基因进行测序，并根据DNA序列评估与植物相关的土壤微生物。他们发现，一些植物物种在其根部附近发育出促进生长的细菌，这是一种优化氮摄入的适应性策略，氮是阿塔卡马贫氮土壤中对植物生长至关重要的营养素。

GabrielaCarrasco是当时的一名本科研究员，正在阿塔卡马沙漠中识别、标记、收集和冷冻植物样本。然后这些样本行进1,000英里，保存在干冰下，以便在智利圣地亚哥的RodrigoGutiérrez实验室进行RNA提取处理。Carrasco在这里收集的物种是Jaravafrigida和Lupinusoreophilus。信用：梅丽莎·阿吉拉尔

为了确定蛋白质序列在阿塔卡马物种中适应的基因，纽约大学的研究人员接下来使用一种称为系统基因组学的方法进行了分析，该方法旨在使用基因组数据重建进化历史。在与纽约植物园的同事协商后，他们将32种阿塔卡马植物的基因组与32种未适应但基因相似的“姐妹”物种以及几种模式物种进行了比较。

“我们的目标是使用这种基于基因组序列的进化树来识别支持阿塔卡马植物进化适应沙漠条件的基因中编码的氨基酸序列的变化，”Coruzzi说。

“这种计算密集型基因组分析涉及比较70多个物种的1,686,950个蛋白质序列。我们使用所得的8,599,764个氨基酸的超级矩阵来重建阿塔卡马物种的进化史，”GilEshel说，他使用纽约大学的高性能计算集群。

该研究确定了265个候选基因，其蛋白质序列变化是由多个阿塔卡马物种的进化力量选择的。这些适应性突变发生在植物适应沙漠条件的基因中，包括与光和光合作用相关的基因，这可能使植物适应阿塔卡马的极端强光辐射。同样，研究人员发现了参与调节应激反应、盐分、解毒和金属离子的基因，这可能与这些阿塔卡马植物适应压力大、营养贫乏的环境有关。

我们可以从这个“基因金矿”中学到什么

大多数关于植物胁迫反应和耐受性的科学知识是通过使用少数模型物种的传统实验室研究产生的。虽然有益，但此类分子研究可能错过了植物进化的生态环境。

“通过研究自然环境中的生态系统，我们能够识别面临共同恶劣环境的物种之间的适应性基因和分子过程，”位于古铁雷斯实验室的智利天主教大学的VivianaAraus说，她曾是纽约大学的博士后助理。基因组学和系统生物学中心。

“我们在这项研究中表征的大多数植物物种以前都没有研究过。由于一些阿塔卡马植物与主要作物密切相关，包括谷物、豆类和马铃薯，我们确定的候选基因代表了基因金矿，可以培育出更具弹性的作物考虑到我们星球荒漠化的加剧，这是必要的，”古铁雷斯说。

除了古铁雷斯和阿劳斯，他们在智利的合作者还包括智利天主教大学的克劳迪奥·拉托雷和智利大学的毛里西奥·冈萨雷斯。纽约大学的Coruzzi和Eshel与的合作者一起研究系统发育管道和分析，其中包括普渡大学的KranthiVarala、纽约植物园的丹尼斯史蒂文森、自然历史博物馆的RobDeSalle，以及他们的成员。研究团队。