经历原子弹爆炸仍健康存活,中美团队揭示银杏树长寿千年之谜

2020-07-05 17:46 来源: 高考学习网 本文影响了:94人

庄周在他的《逍遥游》中歌颂过一些神灵植物展现出的“大年”,作为逍遥的二重境界:

“楚之南有冥灵者,以五百岁为春,五百岁为秋;上古有大椿者,以八千岁为春,八千岁为秋,此大年也。”

可见,衰老是多细胞生物的普遍特性。能摆脱衰老的束缚,而无惧年龄自由生活,是人们自古以来的真切愿望,是实现真正的“逍遥”的关键条件。

放眼现实,长寿千年的神话并不是虚撰。一些植物因为长寿和强大的生命力闻名于世:

美国西海岸的红杉可以活2000多年,加利福尼亚中部的巨杉通常可以活到 3000 岁以上;
而世界上最古老的生物是一颗狐尾松,被命名为老玛士撒拉,截至目前,它已经存活了 4700 多年;
银杏原产中国,被誉为“植物中的熊猫”,也以长寿著名,条件允许时,他们可以存活千年以上,是植物中的“活化石”。

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虽然有些树种可以存活数百年或数千年,但它们长寿的分子和代谢机制尚不清楚。对于跨越沧海桑田存活千年的古树们,科学家们对他们生命更迭的机制更是充满好奇。


为了研究这些树木的长寿之谜,来自中国和美国的科学家们组成合作小组,展开了一系列相关研究。通过研究,他们确定了一些特定的基因,这些基因在解释这些树木如何保持近乎不朽和旺盛的生命力上有着关键性的作用。研究结果近日发表在《美国国家科学院院刊》上。

遗世而独立的“活化石”

银杏树在生物学里可谓是独一无二的优雅存在,他们优雅的扇形叶子化石甚至可以追溯到 2 亿年前。古植物学家指出,现代银杏树在这期间漫长的演化历史中“几乎没有任何改变”。

然而,银杏树美丽的身影是孤独的,因为银杏树的近亲已经全部灭绝。朱迪并没有参与这项研究的加州大学戴维斯分校植物解剖学家朱迪·杰恩斯泰特指出:“银杏在进化过程中是孤立的,它们是唯一幸存下来的一个世系物种”。

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除了银杏树的独一无二之外,它们最受瞩目的地方仍然是他们的长寿

北京林业大学植物生物学家、该研究论文的通讯作者林金星表示:他们去了湖北省一个非常小的地方,为了了解这些树存活如此之久的生物学原因,研究人员希望将幼树和老树的基因样本进行比较,然后带回实验室。然而,他们必须首先确定树木的年龄,然后才能找到适合的样本进行分析。

“树叶可能每年都掉落,不能反映真实的年龄。所以,我们选择老的维管形成层来辨别年龄,”林金星说。

维管形成层事实上是树皮包裹内的一圈细胞,并没有什么特殊作用, 但他们的分裂分化能力很强,在树木生长过程中,维管形成层会不断分裂和生长,要么向内变成树干,要么向外变成树皮。因此,维管形成层的活性往往代表了树木的持续生长能力。

当树木生长时,维管形成层增加了树干的周长。季节的变化和生长模式意味着这种生长每年会在树干的图案上产生一个额外的年轮。林金星补充道:“即使是几百岁的非常年老的银杏树,每年仍能从形成层分裂出一些细胞”。

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“在数年轮时,你需要在树木基干上凿一个小孔直达树干的中心点,然后将样本取出,”该研究论文通讯作者之一,北德克萨斯大学生物学家理查德·迪克森解释道,“然后你就可以根据年轮数量来确定这个树木的年龄了。”


通过这种方法,研究人员从年龄在 15- 667 岁之间的 34 棵银杏树中收集了样本。他们比较了银杏树维管形成层中的 RNA,以观察它们在不同年龄点之间基因活性的变化。分析结果发现,银杏树的环宽在前 100-200 年急剧下降,200 年以后变化不大,同时,它们形成层细胞数量缓慢减少。

600 岁银杏和小银杏一样年轻

除了银杏的长寿之外,它的耐寒性也是出了名的。它们对疾病、害虫和污染具有相当强的抵抗力,这使得它们在城市环境规划中往往很受欢迎。

一个广为流传的真实事件证明了这一点:一棵小银杏树在广岛原子弹爆炸后幸存下来,甚至在第二年春天开花。

研究人员发现,在 600 年的古树中,与抗病能力相关的基因仍保持稳定活跃。与产生抗氧化剂、抗菌剂和应激反应信号有关的其它基因的活性似乎也没有下降。

换句话说,老银杏树看起来和小银杏树一样朝气蓬勃。“我们真的几乎无法分辨一棵 600 岁的树和一棵 20 岁的树的形成层。”迪克森惊奇地说。

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研究人员总结道,长寿的树木已经进化出了一种补偿机制来维持生长和衰老过程之间的平衡。这包括持续的形成层分裂,耐药相关基因的高表达,以及持续合成预形成保护性次生代谢物的能力。

此外,与衰老相关的基因活性在老树中也与年轻树木保持一致,没有随年龄增长而增长的迹象。

衰老是生命过程中细胞逐渐失去分裂能力、树木开始老化直至死亡的阶段。林金星回忆道:“我们原本认为几百年后它们应该会衰老。但从基因上看,古老的银杏树依然年轻。我们发现这些树仍然能够产生非常好的种子和花粉,它们仍然处于健康状态。”

这些结果是第一批证据,将科学家引向树木衰老的分子基础,或者说是树木衰老的分子基础。尽管研究所涉及的最古老的银杏树只有 600 年树龄,但研究人员表示,他们认为即使是树龄超过 1000 年的银杏树也会表现出相似的活性。

研究人员还推测,古树长寿的原因很可能是相似的遗传机制。“也许人们现在会在红杉、紫杉、狐尾松或者其它长寿树木上做类似的实验,”迪克森说。狐尾松、红木、塞奎亚树和银杏树都可以存活数千年。

虽然实验揭示了银杏树长寿的机制,但对于这一独一无二的物种,我们依旧有很多的东西要探索。

是什么如此有效地保护了银杏基因组的完整性,让银杏在漫长的演化过程中并没有发生显著的变化?
对于一棵成熟的银杏树来说,其基因图谱与幼树非常相似,这是否意味着体细胞突变的积累速度较慢?
或者,银杏是不是有更好的 DNA 修复机制,来不断改善衰老细胞的活性,使其长时间的保持年轻?

他们表示,联合研究小组的下一步计划是研究银杏树的体细胞突变率。体细胞突变的现象并不是由来自精子或卵细胞中所携带的基因决定的,而是后天环境因素(如紫外线或辐射)导致的细胞内 DNA 变化。
“如果答案是肯定的话,这将具有重大的意义。”研究人员表示。

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