石松類植物是從苔蘚植物向蕨類和種子植物進化的重要過渡類群，是研究植物重要器官（如根、真葉等）的形成以及植物生活史世代交替的進化中不可或缺的一環(huán)。石松類植物的歷史可追溯到志留紀（距今約4.2億年前）。現(xiàn)今的石松類植物通常是生長在林下的矮小草本，然而在遠古時代，石松類植物則主要是高大的喬木，是植食性恐龍（例如侏羅紀和白堊紀）的主要食物之一，同時也為現(xiàn)代人類提供了豐富的化石能源。

石松類植物包括兩個高度分化（距今約4億年前）的植物類群：同型孢子（石松科）和異型孢子（水韭科和卷柏科）植物，二者具有不同的生殖方式。同時，同型孢子石松類植物基因組大小和染色體數(shù)目通常大大高于異型孢子石松類植物，為我們探究Science雜志公布的125個科學(xué)問題之一“Why are some genomes so big and others very small”提供了良好的研究體系。同時，石松類植物中的石杉亞科的植物含有重要活性成分——石杉堿甲，能夠治療各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如“阿爾茨海默”癥。

近日，《美國國家科學(xué)院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS）》在線發(fā)表了基因組所王麗課題組在植物進化基因組學(xué)領(lǐng)域的最新研究成果“Extraordinary preservation of gene collinearity over three hundred million years revealed in homosporous lycophytes”。該研究通過對兩個高度分化的同型孢子石松類植物進行全基因組解碼，報道了3億多年分化背景下植物基因組的“進化停滯”現(xiàn)象。

研究人員利用PacBio HiFi和HiC技術(shù)對兩個高度分化（距今約3.5億年）的同型孢子石松類植物（異源四倍體長白石杉（Huperzia asiatica）和二倍體扁枝石松（Diphasiastrum complanatum））進行了全基因組測序和組裝。長白石杉的組裝得到了138條染色體（亞基因組A：70，亞基因組B：68），基因組大小為7.8Gb；而扁枝石松的組裝則得到了23條染色體，基因組大小為1.6Gb。該研究公布了同型孢子石松植物染色體水平基因組，填補了陸地植物主要譜系基因組數(shù)據(jù)的空白。

圖1 | 同型孢子石松類植物長白石杉與扁枝石松

通過對這兩個同型孢子石松基因組的共線性分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管它們分化已超過3億年，仍然有約30%的基因保持了良好的共線性關(guān)系。這樣高度分化的物種間仍然保留如此完好的基因共線性關(guān)系是一個前所未見的現(xiàn)象，暗示了兩個同型孢子石松類植物自分化后的緩慢進化史。

圖2 | 長白石杉和扁枝石松基因組間保守的共線性

全基因組復(fù)制（Whole genome duplication, WGD）及其后續(xù)的“二倍化”（Diploidization）過程是基因組大小和染色體數(shù)目變異的主要驅(qū)動力之一。首先，研究人員利用多種比較基因組學(xué)分析手段發(fā)現(xiàn)，長白石杉和扁枝石松各自經(jīng)歷了多次獨立的古老的WGD事件。其次，通過對其WGD后的二倍化過程分析發(fā)現(xiàn)，相較于其他異型孢子植物，同型孢子石松類的二倍化過程缺乏大規(guī)模的染色體重排和丟失（Rearrangement and fractionation）。相反，它主要通過一種小規(guī)模的同源基因交互丟失的方式進行二倍化，形成了一種獨特的二倍化過程。研究人員在該項目中提出了一種同型孢子石松類植物“Riceprocal fractionation”的二倍化模型。這一模型也有助于解釋為何同型孢子石松類植物基因組大小和染色體數(shù)目普遍高于異型孢子石松類植物。

圖3 | 同型孢子石松類WGD后續(xù)二倍化過程模型——“Riceprocal fractionation model”

亞基因組顯性（Subgenome dominance）是指物種多倍化后，其中一個亞基組往往會占據(jù)主導(dǎo)地位，表現(xiàn)為同源基因的優(yōu)先保留或基因表達水平的提高。盡管亞基因組顯性一直是多倍體基因組研究的熱點問題，但在被子植物之外鮮有研究報道。研究人員對異源四倍體長白石杉的亞基因組同源基因表達偏向性（Homeologous expression bias, HEB）進行了分析，結(jié)果顯示四倍體長白石杉基因組不存在亞基因組顯性的現(xiàn)象；然而，約30%的HEB基因?qū)θ匀淮嬖冢⑶襀EB受選擇壓和LTR插入的影響。

圖4 | 異源四倍體長白石杉的亞基因組顯性分析

綜上所述，該研究通過解析兩個石松類植物基因組，揭示了古老的同型孢子石松類植物獨特的基因組進化史，豐富了我們對植物基因組進化的認識，對于后續(xù)探討植物重要器官形成的分子機制也打下了良好的基礎(chǔ)。另外，該研究選取的長白石杉含有石杉堿甲，而扁枝石松不含有石杉堿甲。該項目也為后續(xù)的石杉堿甲全合成通路的解析和進化機制研究奠定了基礎(chǔ)。

基因組所助理研究員李誠和Boyce Thompson Institute的David Wickell博士為該論文的共同第一作者，基因組所王麗研究員和Boyce Thompson Institute的Fay-Wei Li博士為共同通訊作者。

該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、深圳市基礎(chǔ)研究計劃等項目的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2312607121