破解蕨类植物的基因信息或许能为解决当今地球面临的诸多问题提供潜在方案。
在基因组测序中，DNA测序旨在确定每个特定DNA分子中核苷酸的排列顺序。这种精确的排列顺序对于理解DNA中携带的遗传信息类型至关重要。由于基因编码蛋白质，而蛋白质负责大多数身体功能，因此这些信息有助于了解基因在体内的功能。对一个生物体的完整基因组（即其所有DNA）进行测序是一项复杂且极具挑战性的任务，必须分阶段进行，即将DNA分解成更小的片段，分别进行测序，然后再将所有片段拼接起来。例如，人类基因组测序于2003年完成，耗时13年，总成本达3亿美元。随着技术的进步，利用桑格测序和新一代测序等方法，基因组测序的速度可以更快，成本也可以更低。一旦基因组被测序和解码，便为识别潜在的生物学研究领域以及推进针对性应用开发开辟了无限可能。
由康奈尔大学和世界各地40名研究人员组成的团队完成了对一种名为满江红（Azolla filiculoides）的水生蕨类植物的全基因组测序<sup>1,2</sup>。这种蕨类植物常见于世界各地温暖的热带地区。这项揭开满江红基因组秘密的项目已筹备一段时间，并通过众筹网站Experiment.com获得了123位支持者共计22,160美元的资金支持。研究人员最终获得了北京基因组研究所与乌得勒支大学合作开展测序工作的资助。这种体型微小的漂浮蕨类植物，大小仅相当于一个指甲盖，其基因组大小为0.75 Gb（或10亿个碱基对）。已知蕨类植物的基因组通常较大，平均大小为12 Gb，但迄今为止，尚未有任何大型蕨类植物的基因组被解码。这项精细的项目旨在揭示满江红的潜在价值。
发表在《自然·植物》杂志上的这项基因组测序研究揭示了满江红蕨的诸多有趣特性，并为未来研究这种蕨类植物的潜在益处指明了方向。满江红蕨在大约50万年前广泛分布于北冰洋周围。当时地球的气候比现在温暖得多，人们认为这种蕨类植物在维持地球凉爽方面发挥了重要作用，它在1万年的时间里从大气中吸收了约10万亿吨二氧化碳。由此可见，满江红蕨在应对气候变化导致的全球变暖方面具有潜在的应用价值。
人们认为这种蕨类植物在固氮过程中扮演着重要角色。固氮过程是将大气中含量丰富的惰性气体——游离氮气（N₂）与其他化学元素结合，生成更具活性的含氮化合物，例如氨、硝酸盐等，这些化合物可用于各种用途，例如作为农业肥料。基因组数据显示，这种蕨类植物与一种名为满江红念珠藻（Nostoc azollae）的蓝藻存在共生关系（互惠互利）。蕨类植物的叶片上存在微小的孔洞，蓝藻在其中生存，它们通过固氮作用产生氧气，供蕨类植物和周围植物利用。反过来，当蕨类植物为蓝藻提供能量时，蓝藻则通过植物的光合作用获取能量。因此，这种蕨类植物有可能被用作天然绿色肥料，并有可能取代氮肥的使用，从而推广更可持续的农业实践。作者表示，有了蓝藻和蕨类植物的基因组数据，研究可以集中于开发和推广此类可持续的农业实践。有趣的是，亚洲农民早在 1000 多年前就开始在稻田里种植满江红作为绿肥了。
研究人员还在蕨类植物中发现了一种重要的自然修饰（杀虫剂）基因，该基因被认为具有提供昆虫抗性的能力。 当这种基因转移到棉花植物中时，它可以提供大量的昆虫保护。 这种“杀虫”基因被认为是从细菌转移或“遗传”到蕨类植物上的，并且被认为是蕨类植物谱系的一个非常特殊的组成部分，即它已经成功地代代相传。 发现潜在的昆虫保护势必会对农业实践产生重大影响。
这项研究表明，首次从蕨类植物中获取基因组信息的“纯科学”是揭示和理解关键植物基因的重要一步。它还有助于更好地了解蕨类植物的进化史，即它们的性状是如何在世代中演变的。了解植物对于探索和理解动植物如何在地球上和谐共存至关重要，此类研究应该得到重视，而不是被轻视。在完成满江红（Azolla filiculoides）和槐叶萍（Salvinia cucullata）的测序后，已有超过10种蕨类植物进入了进一步研究的计划。
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来源（S）
1. Fay-Wei L 等. 2018. 蕨类植物基因组阐明陆生植物进化和蓝藻共生关系.自然植物. 4(7). https://doi.org/10.1038/s41477-018-0188-8
2. Fernbase https://www.fernbase.org/。[2018 年 7 月 18 日访问]。
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