武漢植物園在石菖蒲及單子葉植物祖先基因組演化研究方面取得重要進展

本文轉自：人民網

人民網北京7月15日電 （記者俞懿春）中法兩國研究人員日前公佈了單子葉植物最早期分支菖蒲目中的重要水生藥用植物石菖蒲（Acorus tatarinowii）的基因組。相關研究初步揭示了單子葉植物祖先早期基因組演化過程和規律，為理解包括禾本科在內的單子葉植物輻射進化過程奠定了重要基礎。上述重要成果由中國科學院武漢植物園王青鋒、陳進明團隊與法國國家農業食品與環境研究院合作完成，7月14日線上發表於國際植物學權威期刊《自然·植物》。

單子葉植物是開花植物（被子植物）重要的分支之一，約佔被子植物物種多樣性的21%，包含了香蕉、蘆筍、椰子等重要的園藝作物和水稻、小麥、玉米等大宗糧食作物。根據大規模取樣的分類學和分子系統發育研究顯示，菖蒲目（Acorales）是單子葉植物中現存的最早分支類群，與其它所有單子葉植物互為姐妹類群，類似於被子植物早期分支的無油樟和真雙子葉植物早期分支的毛茛目的系統發育地位，菖蒲目物種是探討和揭示單子葉植物早期演化過程的重要材料。

中法兩國研究人員利用PacBio和Hi-C技術完成了石菖蒲全基因組測序和染色體水平的組裝。透過與其他單子葉植物的全基因組比較分析發現，石菖蒲僅經歷過1次獨立的古多倍化事件並伴隨有亞基因組優勢效應（subgenome dominance），除石菖蒲和海生植物大葉藻外，其它單子葉植物都發生過2次或2次以上的基因組加倍（圖1）。在研究涉及的單子葉植物中，石菖蒲基因組結構演化（基因在染色體上的線性排序/共線性）和氨基酸序列替換速率均表現最為緩慢和保守。進一步的相關性分析還發現，各物種基因組共線性結構的相對保守性與其序列替換速率和基因組加倍次數顯著相關，這可能是石菖蒲基因組結構演化相對較慢的原因。代表性單子葉植物基因組結構與外類群（蓮）的比較分析表明，基因上下游區域的甲基化程度、基因表達的組織特異性等可能是約束基因組結構演化的重要因素。

圖1 單子葉植物祖先核型（AMK）與早期分支的單子葉植物共線性比較與全基因組複製次數（Ata： 石菖蒲）

研究還發現，與石菖蒲等早期分支的類群相比，禾本科植物（如水稻）歷史上經歷過更多次的融合、分裂等染色體重排事件。在基因家族演化方面，該項研究揭示了與單子葉植物早期形態演化和適應溼地或水生生境（如平行葉脈和初生根的退化、低水平的無機磷酸鹽的水生環境）相關的重要功能基因家族演化事件。例如在擬南芥中DOT3（DEFECTIVELY ORGANIZED TRIBUTARIES 3）基因已被證實其功能缺失會導致幼苗和初生根生長方面存在缺陷，並在幼葉中產生異常的平行脈紋，DOT3在單子葉植物和水生睡蓮目植物（睡蓮、芡實）中都發生了丟失，可能與這兩個類群的平行/掌狀葉脈和初生根（主根）退化等特殊性狀相關。