一项新的研究鉴别了植物应对自然恶劣环境所采用适应策略背后的遗传基础。这些适应策略包括在根部富集促进生长的细菌，和对生存所必需的基因进行积极选择，这将可能用于指导作物的培育，使其更能适应气候变化。
“在一个气候变化加速的时代，揭示在干旱和营养不良条件下提高作物产量和恢复力的遗传基础是至关重要的，”纽约大学生物学系和基因组学和系统生物学中心的教授Gloria Coruzzi说。她与智利庞蒂西亚大学分子遗传学和微生物学系的教授Rodrigo Gutiérrez博士共同领导了这项研究。该团队确定了使阿塔卡马植物适应并在极端的沙漠条件下生长的植物谱系、相关微生物和基因。这项研究是植物学家、微生物学家、生态学家、进化学家和基因组学家之间的国际合作，发表在《美国国家科学院院刊,》pNAS，题为“阿塔卡马沙漠生命极限的植物生态基因组学”。
智利北部的的阿塔卡马沙漠是地球上最恶劣的环境之一 ——尽管这里是地球上最干燥的地方之一，但这里仍生长着几十种植物，包括草、一年生植物和多年生灌木。阿塔卡马的植物必须适应有限的水、高海拔、沙质土壤中营养物质的缺乏、极高的太阳辐射和昼夜波动超过50度的温度，这里为研究植物对极端环境的适应提供了一个自然实验室。Gutiérrez说:“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了重大威胁。”
智利研究小组在10年多的时间里，在Talabre-Lejía样带的不同植被区和海拔高度(每100米)的22个地点收集了气候、土壤和植物的特征。他们将植物和土壤样本保存在液氮中，并将它们运送到实验室，对32种优势植物和与植物相关的土壤微生物表达的基因进行测序。他们发现一些植物物种在根部附近生长出了促进生长的细菌，这是一种在阿塔卡马贫瘠的土壤中优化氮摄入量的适应性策略，氮是植物生长的关键养分。
接下来，纽约大学的研究人员使用高性能计算集群进行了系统基因组分析，将32种阿塔卡马植物的基因组序列与32种不适应但基因相似的“姐妹”物种以及其他几个模式物种进行了比较。基于这种比较分析，他们重建了适应性很强的阿塔卡马物种的进化史，并确定了序列改变的基因。“这种计算密集的基因组分析涉及比较超过70个物种的1,686,950个蛋白质序列。我们使用产生的8,599,764个氨基酸的超级基质来重建阿塔卡马物种进化史的系统基因组。”“我们的目标是利用这棵基于基因组序列的进化树，来确定支持阿塔卡马植物适应沙漠环境的进化的基因中编码的氨基酸序列的变化。”
研究人员在多个阿塔卡马植物物种中发现了265个蛋白质序列发生了变化的基因。这些基因包括负责光合作用、解毒、压力反应调节以及对盐、光和金属离子的反应的基因。基因变化有利于它们的进化选择——比如促进恢复能力和适应能力，可能是阿塔卡马植物成功适应极端辐射、高温和营养不良土壤的基础。
植物胁迫反应的分子机制通常在实验室中使用少数模式种进行研究。尽管这些研究提供了丰富的信息，但可能会错过植物进化的生态环境。“通过研究自然环境中的生态系统，我们能够识别各物种在面对共同恶劣环境时的适应基因和分子过程，”庞蒂西亚大学Católica de智利分校的Viviana Araus说，她曾是纽约大学基因组学和系统生物学中心的博士后助理。“我们在这项研究中描述的大多数植物物种之前都没有被研究过。由于一些阿塔卡马植物与主要作物(包括谷物、豆类和土豆)关系密切，我们确定的候选基因代表了一个基因金矿，可以改造更具可塑性的作物，考虑到我们的星球日益荒漠化，这是必要的，”Gutiérrez说。
从这项研究中获得的见解可以提高转基因作物的生长，减少粮食不安全。