这种微小的蕨类植物拥有地球上所有生物中最大的基因组

在期刊上发表的一项新研究中信息科学来自英国皇家植物园、邱园和西班牙巴塞罗那植物研究所 (IBB-CSIC) 的研究人员展示了地球上生物细胞核中储存的 DNA 数量最多的新纪录。

新喀里多尼亚叉蕨类植物 Tmesipteris oblanceolata 的 DNA 长度超过 100 米，其 DNA 含量是人类的 50 多倍，超过了自 2010 年以来一直保持这一纪录的日本开花植物巴黎花。

此外，该植物还获得了三项吉尼斯世界纪录称号，分别是“最大的植物基因组”、“最大的基因组”和“最大的蕨类植物基因组”（就细胞核中的 DNA 数量而言）。

T. oblanceolata 是一种稀有的蕨类植物，产于岛国新喀里多尼亚，这是法国的海外领土，位于西南太平洋，距离澳大利亚东部约 750 英里，以及瓦努阿图等一些邻近岛屿。Tmesipteris 属是一类研究不足的植物，由大约 15 种物种组成，其中大多数分布在一系列太平洋岛屿和大洋洲。

到目前为止，科学家仅估计了两种 Tmesipteris（T. tannensis 和 T. obliqua）基因组的大小，发现它们都含有巨大的基因组，分别为 73.19 和 147.29 千兆碱基对 (Gbp)。

2023 年，论文的主要作者 Jaume Pellicer 博士和 Oriane Hidalgo 博士（来自 IBB，曾就职于 RBG Kew）前往新喀里多尼亚收集 Tmesipteris 样本，然后对其进行分析以估计其基因组的大小。这需要分离数千个细胞的细胞核，用染料染色，然后测量每个细胞核内有多少染料与 DNA 结合？染料越多，基因组就越大。

分析显示，T. oblanceolata 物种的基因组大小达到创纪录的 160.45 Gbp，比 P. japonica（148.89 Gbp）大约 7%。

解开后，这种蕨类植物的每个细胞的 DNA 都比伦敦威斯敏斯特的伊丽莎白塔还要高，伊丽莎白塔高 96 米，是举世闻名的大本钟所在地。相比之下，大约有 3.1 Gbp 分布在 23 条染色体上，当像毛线球一样拉长时，每个细胞中的 DNA 长度仅为 2 米左右。

佩利瑟博士是表示，“Tmesipteris 是一种独特而迷人的蕨类小属，它的祖先大约在 3.5 亿年前进化而来，远在恐龙登陆地球之前，它以附生习性（主要生长在树干和树枝上）和大洋洲和几个太平洋岛屿的有限分布为特征。

“长期以来，我们都认为打破日本重楼的尺寸记录是一项不可能完成的任务，但生物学的极限再一次超出了我们最乐观的预测。

“根据我们之前的研究，我们预计 Tmesipteris 中存在巨大的基因组。也就是说，发现其中最大的基因组不仅仅是一项科学探索壮举，也是近十四年来探索植物基因组无限复杂性和多样性的结果。”

迄今为止，全球科学家已估计了超过 20,000 个基因组的大小，揭示了生命之树上基因组大小的广泛差异。反过来，这些差异不仅对基因组的解剖结构产生深远影响，因为更大的基因组需要更大的细胞来容纳它们，并且需要更长的时间来复制，而且对它们的功能、进化以及它们的生存地点和方式也产生深远影响。

在动物中，一些最大的基因组包括大理石肺鱼 (Protopterus aethiopicus)，其基因组大小为 129.90 Gbp，以及纽斯河水狗 (Necturus lewisi)，其基因组大小为 117.47 Gbp。与此形成鲜明对比的是，已知最大的六个真核生物基因组都存在于植物中，其中包括欧洲槲寄生 (Viscum album)，其基因组大小为 100.84 Gbp。

令人惊讶的是，拥有较大的基因组通常并不是一种优势。就植物而言，拥有大量 DNA 的物种只能成为生长缓慢的多年生植物，光合作用效率较低（植物将太阳能转化为糖的过程），需要更多的营养物质（尤其是氮和磷酸盐）才能生长并与基因组较小的邻居成功竞争。反过来，这些影响可能会影响植物适应气候变化的能力及其灭绝风险。

皇家植物园邱园特性进化高级研究员 Ilia Leitch 博士表示：“谁会想到这种大多数人走过时都不会注意到的微小、不起眼的植物，会拥有世界纪录的基因组大小。

“与其他生物相比，从 DNA 层面来看，植物的多样性令人难以置信，这应该让我们停下来思考它们在全球生物多样性更广阔的图景中的内在价值。这一发现还提出了许多关于生物学可能性上限的新问题，我们希望有一天能解开这些谜团。”

吉尼斯世界纪录执行主编亚当·米尔沃德表示：“这种看上去无害的蕨类植物所含的 DNA 是人类的 50 倍，这提醒我们，植物界还有很多我们不知道的东西，而纪录保持者并不总是外表最耀眼的。”