太平洋島嶼蕨類 DNA 擁 1,600 億個鹼基對 迄今已知最多

人類基因組由 30 億個 DNA 鹼基對組成,但與新喀裡多尼亞叉蕨 (Tmesipteris oblanceolate) 相比,根本算不上甚麼。最新刊於 iScience 的研究指, T. oblanceolate 的基因組包含驚人的 1,600 億個鹼基對,是迄今為止發現的單一最大基因組。發現將可幫助科學家了解基因組如何變得這麼大,以及這些大量基因如何影響物種的適應性和生存。

無參與研究的紐約大學基因組學與系統生物學中心發育生物學家 Kenneth Birnbaum 指出,發現並不完全出乎意料,蕨類植物以囤積染色體而聞名。

DNA 由鹼基對 (base pair) 組成,兩個核鹼基 (nucleobase) 分子透過氫鍵結合形成。迄今發現的最小基因組屬於哺乳類寄生蟲腸腦炎孢子蟲 (Encephalitozoon intestinalis) ,牠們只有 225 萬個鹼基對。

學界知道植物基因組往往較大,而具有相對較大基因組的植物往往壽命較長,繁殖速度較慢,更容易受到環境壓力的影響。不過,生物體基因組的大小與其物理或生理的複雜性之間並無明確的關係。因此,巴塞隆拿植物研究所植物學家 Jaume Pellicer 的團隊想了解重複的 DNA 序列,在基因組特別大的植物演化中所扮演的角色。

團隊知道蕨類通常具有特別長的重複 DNA ,所以分析了原生在紐西蘭和新喀裡多尼亞等少數太平洋島嶼雨林中的新喀裡多尼亞叉蕨。

團隊使用流式細胞儀 (flow cytometry) 這種基於的激光的技術來分析細胞特徵,統計出新喀裡多尼亞叉蕨的 1,600 億個鹼基對。這比之前的基因組記錄保持者,日本開花植物衣笠草(Paris japonica) 多 110 億個。然而,為何蕨類植物擁有如此龐大的基因組?

植物獲得超大基因組的方式主要分兩種。一種是細胞核內基因組的大規模複製,稱為同源多倍體 (polyploidy) 。另一種則是擁有一組重複的、非編碼的 DNA 序列,即過往所指的垃圾 DNA 。雖然被稱為垃圾 DNA ,但現時學界己知這些 DNA 序列有能力將自己插入附近的基因中,並為其提供新功能或讓其沉默。

Birnbaum 表示,很難想像產生大量垃圾 DNA 會賦予蕨類一些選擇性優勢。因為每個細胞製造 DNA 再包裝並保護之,是一個非常大的負擔。

不過,團隊懷疑是否會發現許多具有更大基因組的真核生物,因為他們相信新喀裡多尼亞叉蕨可能已經接近上限。

來源:

Science, This unassuming fern has the largest known genome—and no one knows why

報告:

Fernández, P., Amice, R., Bruy, D. & et al. (2024). A 160 Gbp fork fern genome shatters size record for eukaryotes. iScience. doi: 10.1016/j.isci.2024.109889 

文/AC

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