智利北部的阿塔卡马沙漠位于太平洋与安第斯山脉之间，是地球上最干旱的地方（两极地区除外）。
然而，那里仍生长着数十种植物，包括草类、一年生植物和多年生灌木。
研究正帮助人们识别与植物存活相关的基因。
在气候变化日益加剧之际，这些知识可用于提升作物的抗逆能力
研究人员发现了与植物在地球上最严酷环境之一——智利阿塔卡马沙漠中存活相关的基因。
他们的研究成果发表在《美国国家科学院院刊》上，或可帮助科学家培育出能在日益干旱的气候中茁壮生长的抗逆作物。
“在气候变化加速的时代，揭示遗传基础，以便在干旱、贫瘠的条件下提高作物产量和抗逆能力，至关重要。”纽约大学生物学系及基因组学与系统生物学中心教授格洛丽亚·科鲁齐说。她与罗德里戈·古铁雷斯共同领导了这项研究。
“我们对阿塔卡马沙漠植物的研究，与世界各地日益干旱的地区直接相关。干旱、极端温度以及水和土壤中的盐分等因素，对全球粮食生产构成重大威胁。”智利天主教大学分子遗传学与微生物学系教授古铁雷斯说。
地球上最干旱之地
智利北部的阿塔卡马沙漠位于太平洋与安第斯山脉之间，是地球上最干旱的地方（两极地区除外）。然而，那里仍生长着数十种植物，包括草类、一年生植物和多年生灌木。除了水资源有限，阿塔卡马的植物还必须适应高海拔、土壤养分匮乏以及阳光辐射极强的环境。
智利研究团队历时十余年，在阿塔卡马沙漠建立了无与伦比的“天然实验室”。他们沿塔拉布雷—莱希亚样带，在不同植被区域和海拔（每隔100米）设置的22个地点采集样本，并对当地气候、土壤和植物进行表征。他们测量了多种因素，记录到昼夜温差超过50度、辐射水平极高、土壤以沙质为主且缺乏养分、降雨极少，而且大部分年降雨集中在短短几天内。
智利研究人员将用液氮保存的植物和土壤样本带回实验室，行程达1,000英里；他们对阿塔卡马沙漠中32种优势植物表达的基因进行测序，并根据DNA序列分析与植物相关的土壤微生物。他们发现，一些植物物种在根部附近形成了促进生长的细菌群落。这是一种适应策略，可优化氮的吸收；氮是植物生长所必需的养分，而阿塔卡马的土壤氮含量很低。
阿塔卡马沙漠植物及其“姐妹种”
为找出阿塔卡马物种中蛋白质序列经过适应性演化的基因，纽约大学的研究人员随后采用一种称为系统基因组学的方法进行分析，该方法旨在利用基因组数据重建进化史。在征询纽约植物园同事的意见后，他们将32种阿塔卡马植物的基因组，与32种未适应当地环境但遗传上相近的“姐妹种”以及若干模式物种进行了比较。
科鲁齐说：“我们的目标是利用基于基因组序列构建的进化树，找出基因所编码的氨基酸序列变化，从而揭示促成阿塔卡马植物适应沙漠环境的演化过程。”
吉尔·埃谢尔说：“这项计算量巨大的基因组分析比较了70多个物种的1,686,950条蛋白质序列。我们利用由此得到的、包含8,599,764个氨基酸的超矩阵，对阿塔卡马物种的进化史进行了系统基因组学重建。”埃谢尔利用纽约大学的高性能计算集群完成了这项分析。
研究发现了265个候选基因：在多个阿塔卡马物种中，这些基因的蛋白质序列变化受到演化力量的选择。这些适应性突变出现在可能促成植物适应沙漠环境的基因中，包括参与光响应和光合作用的基因，这些基因或可使植物适应阿塔卡马极强的高强度光辐射。同样，研究人员还发现了参与调控胁迫响应、盐分、解毒和金属离子的基因，这些基因可能与阿塔卡马植物适应恶劣、养分贫乏的环境有关。
“基因宝库”
关于植物胁迫响应和耐受性的科学知识，大多来自以少数模式物种为对象的传统实验室研究。这类分子研究虽有价值，却可能忽略植物演化所处的生态背景。
智利天主教大学的薇薇安娜·阿劳斯曾在古铁雷斯的实验室工作，也是纽约大学基因组学与系统生物学中心的前博士后研究员。她说：“通过在自然环境中研究生态系统，我们得以在面临共同严酷环境的物种中识别出适应性基因和分子过程。”
古铁雷斯说：“本研究中我们进行表征的大多数植物物种此前从未被研究过。阿塔卡马的一些植物与谷物、豆类和马铃薯等主粮作物亲缘关系密切，因此我们发现的候选基因堪称一座基因宝库，可用于培育更具抗逆性的作物。随着地球荒漠化加剧，这已成为当务之急。”
这项研究得到了智利优先领域发展基金（FONDAP）基因组调控中心的支持；在美国，支持方包括泽加尔家族基金会以及能源部生物与环境研究办公室。
