Arabidopsis
在1905年的德國，植物學專業的20歲學生Friedrich Laibach在家鄉林堡附近的蘭河岸邊采下了一株小草，保存在乙酸溶液中。回到波恩大學的實驗室后，Laibach將這株植物的細胞染色并在顯微鏡下觀察，發現細胞中只有5條染色體，這是一項令人興奮的發現，因為當時科學界所熟知的染色體數為奇數時的最小數目即為5條。這株植物就是擬南芥（Arabidopsis thaliana），盡管Laibach收集這株植物的地點在20世紀30年代被高速公路覆蓋，如今已無跡可尋，但這一物種從那時起便成為了生物學研究中最重要的工具之一。
如今，擬南芥早已成為用于基礎功能研究的模式生物，并且在未來應用于更廣泛的領域。擬南芥具有染色體數目少、植株小、生命周期短、結子多等特點，此外它還是第一個基因組被完整測序的植物，歷時7年花費7000萬美元的擬南芥基因組計劃（AGI，Arabidopsis Genome Initiative）由來自歐洲、日本和美國的研究人員合作完成 [1]，此時距離1753年Carl Linnaeus為紀念首次描述這一植物的德國植物學家Johannes Thal將其命名為Arabis thaliana已過去240年，而距離1943年Elliot Meyerowitz首次發現其具有作為模式生物的潛能僅過去50年 [2]。
Arabidopsis thaliana (source: Arabidopsis thaliana - Alchetron, The Free Social Encyclopedia)
Arabidopsis
Salk Institute的Joanne Chory和Joseph Ecker在擬南芥基因組計劃在美國啟動的過程中做出了重要貢獻，“在90年代初，針對酵母、果蠅、蠕蟲和鼠等全部模式生物，都如火如荼地開展著全基因組測序”Ecker表示，“所以當時對擬南芥進行研究的人們發出了這樣的疑問，我們要讓其他物種的測序工作領先于擬南芥嗎？如果在其他模式生物中開發出了更好的研究工具，是否還有人愿意在植物上繼續研究工作？” Chory于1989年發表的研究論文中報道了一種可以在黑暗中生長的擬南芥突變體DET1，這項研究的獨特之處在于將基因技術應用于探究植物生理學問題，揭示了植物感光的復雜途徑 [3]。這項在植物學領域產生了重大影響的研究由于缺少完整的序列以及基因識別與克隆工具的局限性，在當時的開展是相當困難的。
隨著擬南芥基因組的解析，Chory得以將DET1基因定位于4號染色體，進而在1994年完成了基因組序列和具體位置的確定 [4]。在某種程度上，這一工作涉及到在DNA片段庫中尋找與最近標記相重疊的片段，通過被稱為“染色體步移（chromosome walking）” 的反復搜索過程，最終找到感興趣的基因。AGI使研究人員在擬南芥基因組中定位基因變得更容易，例如，他們可以通過搜索基因的DNA序列，或檢驗其他植物中已知的序列是否存在于擬南芥基因組中。更重要的是，通過遺傳轉化的方法進行未知基因的鑒定成為了可能，研究人員發展了T-DNA插入的方法，定位并測序相應區域以進行基因識別，目前研究人員利用數十萬個插入株系成功識別了約28000個基因。由Ecker等構建的“Salk lines”是最知名的擬南芥T-DNA插入突變體庫 [5]，截至目前該數據庫已被訪問超過1100萬次，并向全球擬南芥研究者提供突變體。
Joanne Chory
Joseph Ecker
Arabidopsis
受限于當時的測序技術更適用于短而可變的序列，AGI并未完成擬南芥整個基因組的組裝，著絲粒（centromere）就是被遺留下來的未測序和組裝區域，Salk Institute的Todd Michael參與完成了這一包含較多長而重復片段部分的測序和組裝 [6]。作為一名基因組測序、組裝和分析方面的專家，Michael從擬南芥的研究開始逐步拓展至其他物種，2015年他首次報道了耐旱草類Oropetium thomaeum的近完整基因組，揭示了完整的著絲粒結構 [7]，最近他的實驗室還完成了水生植物浮萍（Wolffia）的基因組測序，這一具有獨特光合作用方式的水生生物，是目前已知的世界上生長最快的植物 [8]。
此外，Michael還參與了高粱（sorghum）的測序和泛基因組研究，作為世界五大谷類植物之一，高粱具有良好的抗旱特性，在貧瘠的土地上也能夠較好地生長，因此在全球變暖下具有重要的農業價值。盡管高粱的基因組已在十年前完成測序，但研究人員希望通過對更多的培育品系和野生親緣株系進行測序，希望培育出新的抗病、耐旱和高產品種。Michael致力于對結構和功能獨特的植物進行測序的目的是揭示基因組差異如何使植物更好地響應和利用它們所處的環境，這些知識對Harnessing Plants Initiative（HPI）至關重要，Salk Institute旨在通過這一計劃開發農作物與濕地植捕獲并儲存大氣CO2的能力，以探索緩解氣候變暖的方法。
Salk Institute的Wolfgang Busch與Chory是HPI項目的共同負責人，他致力于通過全基因組關聯分析（GWAS）探究與植物不同株系特征相關的基因和機制。其中一項研究中，Busch利用遺傳學、基因組學、計算生物學以及分子細胞生物學相結合的方法，確定了植物的基因藍圖中如何編碼根的特異性狀。經過多年的研究，Busch鑒別了大量基因，其中包括一個可以調控植物根系更深的基因 [9]，具有這一基因的作物可以借助更多而深的根系儲存更多的CO2，Busch目前正在溫室和多個試驗田中開展實驗以推進這一成果的應用。
Salk Institute的研究人員同樣關注表觀遺傳影響植物表型的相關機制，Julie Law的研究不僅是HPI計劃的重要組成部分，還與人類健康和疾病的研究存在一定相關性，因為相同的表觀遺傳過程不但發生在植物細胞中，在心臟、肝臟和皮膚等人體細胞中也同樣存在相同的基因，但由于它們參與激活的基因不同，而在功能上存在差異。Law發表的一項研究，對擬南芥CLSY家族如何在植物發育期間調控DNA甲基化進行了探究，研究發現在不同的植物組織中，不同的CLSY家族首先靶向DNA甲基化位置，這造成了不同組織中DNA甲基化模式的差異 [10]?？紤]到DNA甲基化在調控基因表達過程中的重要性，這些發現可能有助于從提高作物產量到人類精準醫療等多方面的進步。
Chory和Ecker在2021年發表的一項研究則揭示了另一種表觀遺傳機制，表明鄰近的植物所產生的遮光效果會使植物生長得更高。研究發現缺失PIFs轉錄因子的擬南芥突變體在模擬遮光實驗中表現為伸長和快速生長的停止，進一步研究表明PIF7蛋白在遮光開始5分鐘內被激活，并將表觀停止信號H2A.Z移除 [11]。隨著生長的“基因剎車”被松開，遮蔽下的植物得以更快地生長。Chory表示，“這項研究展示了植物如何在細胞水平上響應環境的微妙變化，隨著植物自身對全球氣候變化的適應，這類反應將越來越多地發生”。
Joseph Noel的研究興趣則集中在探究植物對地球環境中各類生態系統的適應，運用生物化學手段解析由不同植物生產的化合物的結構和化學性質。例如，Noel對富碳分子軟木脂（suberin）進行了分析，這種分子能夠保護之物免受干旱、洪水、病害和高鹽等環境脅迫的影響。這項研究旨在開發濕地植物，以達到更好的儲碳、凈水和土地保護效果，并且能在各種具有挑戰性的環境中生長。“人們還未真正意識到濕地在環境變化中的重要性”Noel表示，“每英畝濕地植物吸收的碳是旱地植物的100倍，所以HPI計劃的一個重要部分是濕地植物的基因組，為日益迫切的濕地恢復工作提供依據?！?/p>
Harnessing Plants Initiative旨在利用地球上植物根系和濕地的儲碳機制，來幫助緩解氣候變化。Salk Institute的植物生物學家正致力于作物的改良，以吸收大氣中過剩的CO-2并將其儲存在土壤中，利用根系強大的儲碳能力將碳封存。自2000年第一個擬南芥基因組發表以來，測序技術得到了極大發展，國際合作項目AGI歷時7年，耗資7000萬美元。如今，Ecker通過辦公室內一臺打印機大小的機器在3分鐘內便可完成對擬南芥基因組的測序，成本約為16美元。Salk Institute的研究人員正致力于通過自己的努力，為緩解氣候變化所帶來的全球環境問題提供解決方案。
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