图源：Oriane Hidalgo，Royal Botanic Gardens

这种毫不起眼的小植物，基因组的大小却创下了世界纪录。令人惊讶的是，拥有更大的基因组通常并不是一种优势。就植物而言，拥有大量DNA的物种只能是那种生长缓慢的多年生植物，它们的光合作用效率更低，而且需要更多养分，才能生长并与周围那些有着较小基因组的物种成功竞争。

撰文 | 吕毛尖

迄今为止，全球科学家已经估算出超过两万种真核生物的基因组大小，揭示了生命之树上基因组大小的巨大差异。在动物中，最大的基因组包括石花肺鱼（Protopterus aethiopicu）和纽斯河泥螈（Necturus lewisi），它们的基因组都达到了约120 Gbp（千兆碱基对）。而一些植物的基因组还更大。此外，基因组的大小差异也很明显。就植物而言，最大的基因组和最小的基因组相差2400倍。

真核生物的基因组。右侧纵轴单位为Gbp/1C（兆亿碱基对/细胞）。（图/Fernández et al., iScience）

2010年以来，已知最大的基因组一直由一种日本花卉植物品种衣笠草（Paris japonica）保持着。这种植物的基因组大小为148.89 Gbp（1488.9亿碱基对）。

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

最近，这个纪录被打破了。在发表于iScience杂志上的一项新研究中，研究人员在来自新喀里多尼亚岛的一种梅溪蕨Tmesipteris oblanceolata中，发现了一个更大的真核基因组。这一新纪录为160.45 Gbp，比衣笠草的基因组还要大7%。它的DNA展开长度超过100米，是人类基因组（约3.2 Gbp）的50多倍。此外，这种植物还获得了“最大植物基因组”“最大基因组”和“最大蕨类植物基因组”三项吉尼斯世界纪录。

罕见的梅溪蕨

T. oblanceolata是一种罕见的蕨类植物，产于法属新喀里多尼亚，位于西南太平洋。它属于梅溪蕨属，这是一种独特而迷人的小型蕨类植物属，还没有得到充分研究，由大约15个物种组成。它们的祖先大约在3.5亿年前进化而来，甚至远早于恐龙踏足地球。这类蕨的主要特征是附生，它们生长在树干和树枝上，而且仅仅分布在大洋洲和几个太平洋岛屿上。

根据先前的研究，梅溪蕨属的物种应该包含着巨型基因组。科学家先前估算出了两个梅溪蕨物种的基因组大小，包括T. tannensis和T. obliqua。这两个物种的基因组都很巨大，分别有73.19 Gbp和147.29 Gbp。

在新的研究中，研究人员开始对新喀里多尼亚南太平洋岛屿上发现的6个梅溪蕨物种进行详细调查。他们从蕨类植物的叶子上提取细胞，分离出含有基因组的细胞核。他们用荧光染料对细胞核的DNA染色，然后比较这些细胞核与一些基因组较小的植物的细胞核所发出荧光的程度，从而计算出每种梅溪蕨的基因组大小。

这种打破纪录的物种（Tmesipteris oblanceolata）在森林的地面上很不起眼。（图/Pol Fernandez & Oriane Hidalgo，Royal Botanic Gardens）

计算结果表明，最长只有15厘米、主要生长在较大的森林植物上的T. oblanceolata，基因组却有160.45 Gbp。如果把这种物种的每个细胞核中的DNA展开，那会比伦敦大本钟（96米）还要高。相比之下，如果把人类基因组像毛线球那样拉开，长度只有两米左右。

多样的基因组

基因组的大小对生物的解剖结构具有深远的影响，因为更大的基因组需要更大的细胞才能容纳，而且要花更长的时间来复制。此外，基因组的大小还对生物的功能、进化、生活地点和生活方式有着深远的影响。

真核生物界中一些最大的基因组，以拉丁学名标注。（图/Fernández et al., iScience）

令人惊讶的是，拥有更大的基因组通常并不是一种优势。就植物而言，拥有大量DNA的物种只能是那种生长缓慢的多年生植物，它们的光合作用（植物将太阳能量转化为糖分的过程）效率更低，而且需要更多养分（尤其是氮和磷酸盐），才能生长并与周围那些有着较小基因组的物种成功竞争。之所以会这样，是因为细胞每次分裂都要复制100多米长的DNA，这需要消耗大量能量。反过来，这些因素可能会影响植物适应气候变化的能力和灭绝的风险。

这就带来了一个问题，T. oblanceolata庞大的基因组从何而来。通常而言，植物基因组急剧膨胀的一种方式是继承整个染色体的额外拷贝，或者是积累了长段的重复DNA序列。还有进化学家推测，一些拥有巨大基因组的植物会不会曾经历过多次遗传瓶颈，也就是说，物种经历了多轮种群萎缩和遗传多样性丧失。在这样的过程中，许多有害突变会积累起来。大量“垃圾DNA”可能在形成如此庞大的基因组中发挥了作用。对T. oblanceolata这类庞大基因组进行详细分析和测序，或许就能揭示它们如此巨大的基因组从何而来。

T. oblanceolata的发现还引出了另一个问题：它是否已经达到或者接近了基因组大小的生物极限。维持如此庞大的遗传物质会让事情变得非常复杂，目前还不清楚这些基因是如何运转的。

或许很难想到，这种毫不起眼的小植物，基因组的大小却创下了世界纪录。从DNA层面来看，植物的多样性难以置信。植物王国还有很多我们不知道的东西，世界纪录保持者并不总是那种外表光鲜耀眼的。

参考来源

[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

本文经授权转载自微信公众号“原理”。

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