經歷原子彈爆炸仍健康存活,中美團隊揭示銀杏樹長壽千年之謎

2020-11-23 手機鳳凰網

莊周在他的《逍遙遊》中歌頌過一些神靈植物展現出的「大年」，作為逍遙的二重境界：

「楚之南有冥靈者，以五百歲為春，五百歲為秋；上古有大椿者，以八千歲為春，八千歲為秋，此大年也。」

可見，衰老是多細胞生物的普遍特性。能擺脫衰老的束縛，而無懼年齡地自由生活，是人們自古以來的真切願望，是實現真正的「逍遙」的關鍵條件。

放眼現實，長壽千年的神話並不是虛撰。一些植物因為長壽和強大的生命力聞名於世：

美國西海岸的紅杉可以活2000多年，加利福尼亞中部的巨杉通常可以活到 3000 歲以上；

而世界上最古老的生物是一顆狐尾松，被命名為老瑪士撒拉，截至目前，它已經存活了 4700 多年；

銀杏原產中國，被譽為「植物中的熊貓」，也以長壽著名，條件允許時，他們可以存活千年以上，是植物中的「活化石」。

雖然有些樹種可以存活數百年或數千年，但它們長壽的分子和代謝機制尚不清楚。對於跨越滄海桑田存活千年的古樹們，科學家們對他們生命更迭的機制更是充滿好奇。

為了研究這些樹木的長壽之謎，來自中國和美國的科學家們組成合作小組，展開了一系列相關研究。通過研究，他們確定了一些特定的基因，這些基因在解釋這些樹木如何保持近乎不朽和旺盛的生命力上有著關鍵性的作用。研究結果近日發表在《美國國家科學院院刊》上。

遺世而獨立的「活化石」

銀杏樹在生物學裡可謂是獨一無二的優雅存在，他們優雅的扇形葉子化石甚至可以追溯到 2 億年前。古植物學家指出，現代銀杏樹在這期間漫長的演化歷史中「幾乎沒有任何改變」。

然而，銀杏樹美麗的身影是孤獨的，因為銀杏樹的近親已經全部滅絕。朱迪並沒有參與這項研究的加州大學戴維斯分校植物解剖學家朱迪·傑恩斯泰特指出：「銀杏在進化過程中是孤立的，它們是唯一倖存下來的一個世系物種」。

除了銀杏樹的獨一無二之外，它們最受矚目的地方仍然是他們的長壽。

北京林業大學植物生物學家、該研究論文的通訊作者林金星表示：他們去了湖北省一個非常小的地方，為了了解這些樹存活如此之久的生物學原因，研究人員希望將幼樹和老樹的基因樣本進行比較，然後帶回實驗室。然而，他們必須首先確定樹木的年齡，然後才能找到適合的樣本進行分析。

「樹葉可能每年都掉落，不能反映真實的年齡。所以，我們選擇老的維管形成層來辨別年齡，」林金星說。

維管形成層事實上是樹皮包裹內的一圈細胞，並沒有什麼特殊作用， 但他們的分裂分化能力很強，在樹木生長過程中，維管形成層會不斷分裂和生長，要麼向內變成樹幹，要麼向外變成樹皮。因此，維管形成層的活性往往代表了樹木的持續生長能力。

當樹木生長時，維管形成層增加了樹幹的周長。季節的變化和生長模式意味著這種生長每年會在樹幹的圖案上產生一個額外的年輪。林金星補充道：「即使是幾百歲的非常年老的銀杏樹，每年仍能從形成層分裂出一些細胞」。

「在數年輪時，你需要在樹木基幹上鑿一個小孔直達樹幹的中心點，然後將樣本取出，」該研究論文通訊作者之一，北德克薩斯大學生物學家理察·迪克森解釋道，「然後你就可以根據年輪數量來確定這個樹木的年齡了。」

通過這種方法，研究人員從年齡在 15- 667 歲之間的 34 棵銀杏樹中收集了樣本。他們比較了銀杏樹維管形成層中的 RNA，以觀察它們在不同年齡點之間基因活性的變化。分析結果發現，銀杏樹的環寬在前 100-200 年急劇下降，200 年以後變化不大，同時，它們形成層細胞數量緩慢減少。

600 歲銀杏和小銀杏一樣年輕

除了銀杏的長壽之外，它的耐寒性也是出了名的。它們對疾病、害蟲和汙染具有相當強的抵抗力，這使得它們在城市環境規劃中往往很受歡迎。

一個廣為流傳的真實事件證明了這一點：一棵小銀杏樹在廣島原子彈爆炸後倖存下來，甚至在第二年春天開花。

研究人員發現，在 600 年的古樹中，與抗病能力相關的基因仍保持穩定活躍。與產生抗氧化劑、抗菌劑和應激反應信號有關的其它基因的活性似乎也沒有下降。

換句話說，老銀杏樹看起來和小銀杏樹一樣朝氣蓬勃。「我們真的幾乎無法分辨一棵 600 歲的樹和一棵 20 歲的樹的形成層。」迪克森驚奇地說。

研究人員總結道，長壽的樹木已經進化出了一種補償機制來維持生長和衰老過程之間的平衡。這包括持續的形成層分裂，耐藥相關基因的高表達，以及持續合成預形成保護性次生代謝物的能力。

此外，與衰老相關的基因活性在老樹中也與年輕樹木保持一致，沒有隨年齡增長而增長的跡象。

衰老是生命過程中細胞逐漸失去分裂能力、樹木開始老化直至死亡的階段。林金星回憶道:「我們原本認為幾百年後它們應該會衰老。但從基因上看，古老的銀杏樹依然年輕。我們發現這些樹仍然能夠產生非常好的種子和花粉，它們仍然處於健康狀態。」

這些結果是第一批證據，將科學家引向樹木衰老的分子基礎，或者說是樹木衰老的分子基礎。儘管研究所涉及的最古老的銀杏樹只有 600 年樹齡，但研究人員表示，他們認為即使是樹齡超過 1000 年的銀杏樹也會表現出相似的活性。

研究人員還推測，古樹長壽的原因很可能是相似的遺傳機制。「也許人們現在會在紅杉、紫杉、狐尾松或者其它長壽樹木上做類似的實驗，」迪克森說。狐尾松、紅木、塞奎亞樹和銀杏樹都可以存活數千年。

雖然實驗揭示了銀杏樹長壽的機制，但對於這一獨一無二的物種，我們依舊有很多的東西要探索。

是什麼如此有效地保護了銀杏基因組的完整性，讓銀杏在漫長的演化過程中並沒有發生顯著的變化？

對於一棵成熟的銀杏樹來說，其基因圖譜與幼樹非常相似，這是否意味著體細胞突變的積累速度較慢?

或者，銀杏是不是有更好的 DNA 修復機制，來不斷改善衰老細胞的活性，使其長時間的保持年輕？

他們表示，聯合研究小組的下一步計劃是研究銀杏樹的體細胞突變率。體細胞突變的現象並不是由來自精子或卵細胞中所攜帶的基因決定的，而是後天環境因素(如紫外線或輻射)導致的細胞內 DNA 變化。

「如果答案是肯定的話，這將具有重大的意義。」研究人員表示。

參考資料：

Wang, L., Cui, J., Jin, B., Zhao, J., Xu, H., Lu, Z., Li, W., Li, X., Li, L., Liang, E., Rao, X., Wang, S., Fu, C., Cao, F., Dixon, R. A., & Lin, J. (2020). Multifeature analyses of vascular cambial cells reveal longevity mechanisms in old Ginkgo biloba trees. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117(4), 2201–2210. https://doi.org/10.1073/pnas.1916548117

Crane, P. R. (2019). An evolutionary and cultural biography of ginkgo. PLANTS, PEOPLE, PLANET, 1(1), 32–37. https://doi.org/10.1002/ppp3.7

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