浮萍是一種微小的漂浮植物，眾所周知，它可以驅(qū)使人們玩耍。它是最小和發(fā)展最快的開花植物之一，常常成為池塘和小湖泊中難以控制的雜草。但它也被用來清潔受污染的水，并作為生產(chǎn)藥品的來源?，F(xiàn)在，大浮萍(Spirodela polyrhiza)的基因組使這種微型植物作為生物燃料來源的潛力得到了極大的推動。在 2014年2月19日發(fā)表在Nature Communications期刊上的一篇論文中 ，羅格斯大學，能源部聯(lián)合基因組研究所和其他幾個研究所的研究人員詳細介紹了S. polyrhiza的完整基因組 。 并與其他幾種植物(包括大米和西紅柿)進行了對比分析。

簡單而原始的浮萍植物由一個小的腎形葉片組成，大小與鉛筆頂部的橡皮擦一樣，漂浮在水面上，水下有一些細根。它幾乎在所有地理區(qū)域都有增長，幾乎在任何高度。雖然它是一種開花植物，但它很少在其漂浮的葉子的下面形成小的不明顯的花朵。大多數(shù)情況下，它通過從作為親本葉片克隆的小葉子出芽來繁殖。它通常在池塘的邊緣，湖泊和沼澤的安靜入口處形成厚墊。它是增長最快的植物之一，能夠在理想條件下在幾天內(nèi)使其人口翻倍。

這些和其他特性使其成為生物燃料原料的理想候選者 - 生物燃料生產(chǎn)的原始來源。例如，與陸地上的植物不同，浮萍不需要保持直立或?qū)⑺畯倪h處的根部運輸?shù)剿鼈兊娜~子，因此它們是相對柔軟和柔韌的植物，含有少量的木質(zhì)材料，如木質(zhì)素和纖維素。從原料中去除這些木質(zhì)材料一直是生物燃料生產(chǎn)中的主要挑戰(zhàn)。此外，雖然它們小到足以在許多環(huán)境中生長，但與生產(chǎn)生物燃料的微生物不同，浮萍植物的大小足以容易收獲。

S.polyrhiza被 證明具有最小的已知植物基因組之一，約1.58億堿基對和少于20,000個蛋白質(zhì)編碼基因。這比擬南芥(Arabidopsis thaliana)少27% - 直到最近，它被認為是最小的植物基因組 - 幾乎是水稻植物的一半。

“最令人驚訝的發(fā)現(xiàn)是洞察成熟基因的分子基礎(chǔ) - 一種永遠年輕的生活方式，”資深作者 ， 羅格斯大學Waksman微生物研究所所長 Joachim Messing說 。

S. polyrhiza 葉子類似于子葉，植物種子內(nèi)的胚胎葉子成為萌發(fā)后的第一片葉子。但是當其他植物在成熟時開發(fā)其他種類的葉子時， S。polyrhiza 從未進展并且不斷產(chǎn)生子葉。這種幼年性狀的延長被稱為“neoteny” .S。polyrhiza 具有較少的促進基因和更多基因來抑制從幼年到成熟生長的轉(zhuǎn)變。

“由于n??eoteny減少，器官的發(fā)育和分化停滯不前。因此，這次逮捕使我們能夠發(fā)現(xiàn)分化和發(fā)展所需的監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)，“梅辛說。

同樣令研究小組感興趣的是哪些基因隨著時間的推移而被保留，哪些基因不被保存。許多負責陸地棲息植物中纖維素和木質(zhì)素生成的基因都缺失了，并且存在的那些基因的副本較少。與細胞壁相關(guān)的另一種化合物的基因稱為“擴展蛋白”，其與細胞壁和根生長有關(guān)，也被減少。

另一方面，用于淀粉生產(chǎn)的基因被保留并且可能用于產(chǎn)生淀粉填充的tur and，由水生植物產(chǎn)生的專門的芽用于越冬，使它們沉入池塘的底部并在溫暖的天氣中恢復。此外，盡管總基因數(shù)量減少，但與 其他植物相比， S。polyrhiza對于參與氮吸收和代謝的酶具有更多的基因拷貝。這可能與植物在受污染水域中利用過量氮的能力有關(guān)。

徹底了解S. polyrhiza的基因組和細胞機制 可以大大增強目前招募浮萍作為生物燃料來源的努力。Messing估計浮萍將在未來五年內(nèi)成為可行的生物燃料來源，并指向新澤西州的Ceres能源集團，該集團已經(jīng)從浮萍生產(chǎn)電力。了解哪些基因產(chǎn)生哪些特性將使研究人員能夠創(chuàng)造具有增強的生物燃料特性的新浮萍品種，例如增加纖維素的減少或增加淀粉或甚至更高的脂質(zhì)產(chǎn)量。淀粉可以直接用作生物燃料來源，它可以轉(zhuǎn)化為乙醇，玉米目前轉(zhuǎn)化為乙醇燃料的方式，但油比乙醇具有更大的能量。

“由于克隆繁殖和稀有開花，經(jīng)典育種或遺傳學不適用于這里，但這些生物可以用DNA轉(zhuǎn)化，”梅辛說。“因此，可以通過改進的工業(yè)應用途徑創(chuàng)建新的變體。這些變種將是對現(xiàn)在可以做的事情的改進。“

該基因組作為DOE科學辦公室JGI社區(qū)科學計劃(CSP)項目(以前稱為社區(qū)測序計劃)的一部分進行測序。它體現(xiàn)了CSP在研究人員中實現(xiàn)的協(xié)作方法和創(chuàng)新項目。Messing指出該研究在以前的研究中取得了進展。

“這個基因組的測序開辟了水生植物分子生物學的新領(lǐng)域，”梅辛說。“該出版物代表了該領(lǐng)域的最大進步，也是植物分子生物學和進化的新里程碑，因為以前的研究是光合作用的經(jīng)典植物學或生物化學。Spirodela基因組作為基礎(chǔ)單子葉植物物種的放置將成為所有開花植物的新參考。“