上海辰山植物園植物可塑性功能基因研究組陳可副研究員團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合法國斯特拉斯堡大學(xué)，美國密蘇里植物園，蘇格蘭愛丁堡皇家植物園等機(jī)構(gòu)，在植物學(xué)Top期刊The Plant Journal(中科院一區(qū)，IF=7.09)上發(fā)表了《柿屬植物中農(nóng)桿菌來源的T-DNA序列解析》的研究論文。該研究首次系統(tǒng)講述了柿屬植物基因組中含有農(nóng)桿菌來源的轉(zhuǎn)移DNA序列，并闡明自然發(fā)生的農(nóng)桿菌介導(dǎo)的基因橫向轉(zhuǎn)移在柿屬植物系統(tǒng)發(fā)育和進(jìn)化中的意義。

研究背景

水平基因轉(zhuǎn)移(HGT)是植物進(jìn)化歷史中的一個(gè)重要現(xiàn)象，也是目前轉(zhuǎn)基因植物制備的主要方法之一。由農(nóng)桿菌介導(dǎo)的植物基因編輯是水平基因轉(zhuǎn)移的一種形式。柿屬(Diospyros)約包含795個(gè)物種，其中一些具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值，例如柿子(D. kaki)，君遷子(D. lotus)，美洲柿(D. virginiana)和名貴木材烏木(D. ebenum)等。

研究內(nèi)容

對柿子(D. kaki)，油柿(D. oleifera)，君遷子(D. lotus)，美洲柿(D. virginiana)這四種植物的全基因組序列進(jìn)行了農(nóng)桿菌來源的胞內(nèi)轉(zhuǎn)移DNA序列(cT-DNA)分析。結(jié)果表明，這四個(gè)物種屬于同一個(gè)系統(tǒng)發(fā)育分支，且共含有15種不同的cT-DNA片段(命名為DiTA-DiTO)。

在六倍體物種D. kaki栽培種‘小果甜柿’中，發(fā)現(xiàn)了7種cT-DNA(DiTA-DiTG)，這些cT-DNA分布在42個(gè)同源染色體中的27個(gè)上，總長度達(dá)628 kb(圖1)。

圖1. 柿屬(Diospyros)植物基因組多次被農(nóng)桿菌侵染并由此形成天然的轉(zhuǎn)基因植物。柿子(D. kaki cv. 小果甜柿)含有7條cT-DNA序列(DiTA-DiTG)，包括18種農(nóng)桿菌來源的T-DNA基因類型。在已知的天然轉(zhuǎn)基因植物(nGMOs)中，‘小果甜柿’是目前含有cT-DNA總量最大的植物(628 kb)。除了柿子之外，研究還發(fā)現(xiàn)另外38種柿屬植物基因組中也含有農(nóng)桿菌來源的cT-DNA序列。

研究通過對 ‘小果甜柿’JAQSGO組裝數(shù)據(jù)分析(Li等，2023)，發(fā)現(xiàn)其cT-DNA片段在大小和結(jié)構(gòu)上存在顯著差異，這種差異可能來源于原始T-DNA插入的缺失及植物DNA的再編程等。研究人員通過分析cT-DNA序列，推測了cT-DNA的進(jìn)化歷程。分析結(jié)果顯示，cT-DNA插入柿屬植物基因組的時(shí)間大約在300萬到1200萬年前。此外，在柿屬植物的另外五個(gè)系統(tǒng)發(fā)育分支中，也發(fā)現(xiàn)cT-DNA分布。

柿子

君遷子(黑棗)

烏木

圖2 柿屬經(jīng)濟(jì)植物柿子，君遷子和烏木(圖片來源于網(wǎng)絡(luò))

綜上所述，本項(xiàng)研究揭示了自然發(fā)生的農(nóng)桿菌介導(dǎo)的T-DNA轉(zhuǎn)染在柿屬植物中的分布，并揭示了T-DNA序列可以作為獨(dú)立的分子標(biāo)記對植物生長發(fā)育和進(jìn)化產(chǎn)生影響，同時(shí)也揭示了自然界中跨物種的基因橫向轉(zhuǎn)移的普遍和重要性。文章鏈接doi: 10.1111/tpj.70202.

結(jié)語展望

柿子這一古老的水果，歷經(jīng)千百萬年的演化與馴化，在其基因組中隱藏著神秘的外來基因密碼。如今，這些深藏的基因秘密正逐漸被科學(xué)家們揭開。未來，隨著更多植物基因組數(shù)據(jù)的不斷涌現(xiàn)，我們有望發(fā)現(xiàn)更多天然轉(zhuǎn)基因植物及其背后的神奇故事。這些隱藏在植物基因組中的微生物DNA序列，很可能在植物演化、生態(tài)適應(yīng)和物種多樣性形成中扮演著舉足輕重的角色。

科研團(tuán)隊(duì)

上海辰山植物園/法國斯特拉斯堡教授Leon Otten為該文第一作者/共同通訊作者。上海辰山植物園植物可塑性基因研究組陳可副研究員為該文通訊作者。上海辰山植物園劉海助理研究員，愛丁堡皇家植物園Nattanon Meeprom博士，美國密蘇里植物園Alexander Linan和Carmen Puglisi研究員參與了本研究。該研究得到上海市綠化和市容管理局和國家自然科學(xué)基因面上項(xiàng)目的支持。

上海辰山植物園陳可課題組主要致力于農(nóng)桿菌介導(dǎo)的基因橫向轉(zhuǎn)移，天然轉(zhuǎn)基因植物形成機(jī)制及相關(guān)功能基因研究。已在天然轉(zhuǎn)基因植物形成機(jī)制解析及農(nóng)桿菌T-DNA研究方面取得一系列重要進(jìn)展。此前，團(tuán)隊(duì)在山茶屬植物的天然轉(zhuǎn)染研究中取得突破性研究成果，連續(xù)發(fā)表兩篇相關(guān)論文：

《Conservation of an Agrobacterium cT-DNA insert in Camellia section Thea reveals the ancient origin of tea plants from a genetically modified ancestor》(揭示了山茶屬茶組植物cT-DNA序列及進(jìn)化特征，原文鏈接doi: 10.3389/fpls.2022.997762); 《Extensive natural Agrobacterium-induced transformation in the genus Camellia》(系統(tǒng)揭示山茶屬中廣泛存在天然cT-DNA并構(gòu)建基于基因橫向轉(zhuǎn)移的山茶屬植物進(jìn)化樹;原文鏈接：doi: 10.1007/s00425-023-04234-9)。研究發(fā)現(xiàn)，山茶屬植物中共有12條不同的cT-DNA序列，表明其在演化過程中經(jīng)歷了多次獨(dú)立的農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)染事件。其中部分cT-DNA具有結(jié)構(gòu)完整、潛在表達(dá)活性的基因，為研究天然轉(zhuǎn)基因植物的功能與演化機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

誠邀有志于本項(xiàng)研究的研究生，畢業(yè)生及出站博士后(或入站)到辰山學(xué)習(xí)、訪問、聯(lián)合培養(yǎng)或工作(聯(lián)系人陳老師，kchen@cemps.ac.cn，長期有效)