【小柯生命】《自然—植物》：閆建斌團隊破譯模式蕨類植物鐵線蕨基因組

2022-09-01 11:10:00來源：小柯生命

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中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)基因組所聯(lián)合國內(nèi)外八家科研單位首次繪制了染色體級別的鐵線蕨基因組，為蕨類植物孢子發(fā)育、真葉植物起源和種子演化,、茉莉素信號通路進化等提供了新見解。

該成果于北京時間2022年9月1日在Nature Plants以封面論文形式發(fā)表,，論文題目為“The genome of homosporous maidenhair fern sheds light on the euphyllophyte evolution and defences”。

中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)基因組研究所閆建斌研究員和博士后房昱含為論文的通訊作者,。房昱含,、博士生秦星、助理研究員廖慶剛和副研究員杜然為論文的共同第一作者,。

植物在4.7億年漫長的陸地生境演化中,，共形成了5大類群：苔蘚植物,、石松植物,、真蕨植物、裸子植物和被子植物,，真蕨植物作為種子植物（裸子植物和被子植物）的最近姊妹類群,，與種子植物共同形成了陸地生境最重要的類群——真葉植物。

真蕨植物以孢子體和配子體均具有光合自養(yǎng)能力為主要特征,，按照孢子類型,，可分為異型孢子和同型孢子兩類。同型孢子真蕨約占現(xiàn)存真蕨的99%,，其中的水龍骨目蕨類植物鐵線蕨（Adiantum capillus-veneris L.）,，是同型孢子真蕨的模式物種。

鐵線蕨基因組組裝與注釋

該研究首次繪制了染色體級別的鐵線蕨基因組,，拼接基因組達到4.83 Gb,，覆蓋了97.58%的基因組，染色體數(shù)目n = 30,，Contig N50達到16.22 Mb,。對基因組結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)同型孢子真蕨基因組擴張的原因是重復序列擴張，并非近期全基因組加倍,。

鐵線蕨同型孢子發(fā)育調(diào)控機制

結(jié)合轉(zhuǎn)錄組分析,，研究者們進一步揭示了同型孢子囊從初生期到成熟期的調(diào)控機制,，首次發(fā)現(xiàn)同型孢子發(fā)育過程與異型孢子的花粉粒具有相似性。通過對同型孢子共表達模塊中節(jié)點基因的挖掘和比較網(wǎng)絡(luò)分析,，發(fā)現(xiàn)LEC1基因在成熟階段調(diào)控同化物積累,，而其種子植物同源基因亦具有相同的功能，是種子發(fā)育的核心調(diào)控因子,，證實了LEC1調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在種子起源前至少300萬年已經(jīng)形成,，且具有保守的同化物積累調(diào)控功能。在真蕨植物中,，該網(wǎng)絡(luò)在孢子發(fā)育時期發(fā)揮作用,，而在種子植物中，被招募到種子發(fā)育過程之中,，賦予了種子同化物積累這一重要的生理性狀,。這些結(jié)果為理解種子起源提供了新的見解（圖1）。

圖1：鐵線蕨同型孢子發(fā)育遺傳基礎(chǔ)與LEC1調(diào)控網(wǎng)絡(luò)比較分析

BRI1-BRL基因家族在真葉植物中的擴張與真葉的起源演化

通過對真葉植物各進化節(jié)點的祖先基因推斷,，首次發(fā)現(xiàn)真葉植物的最近共同祖先中,，BRI1-BRL基因家族出現(xiàn)了明顯擴張。研究顯示了BRI1-BRL基因家族在真葉植物中發(fā)生過兩次復制,，從而形成了真葉植物共有的BRL2亞家族,，以及種子植物中特異擴張的BRI1/BRL1-3亞家族（圖2）。鐵線蕨BRL2亞家族成員的組織表達分析也驗證了這些基因在維管束分布豐富的葉柄和葉片中表達顯著,。這些結(jié)果顯示了BRI1-BRL基因家族的擴張很可能與真葉維管系統(tǒng)的起源有關(guān),，是推動真葉植物維管系統(tǒng)復雜化進而產(chǎn)生真葉的分子動力。

圖2：BRI1-BRL基因家族在陸生植物中的分子進化

鐵線蕨防御反應(yīng)與真葉植物茉莉素信號通路的進化

蕨類植物還是研究茉莉素信號通路進化的關(guān)鍵物種,，基于鐵線蕨的高質(zhì)量基因組,，結(jié)合代謝組學分析，研究者們闡明了茉莉素分子OPDA和JA-Ile及次生代謝物在鐵線蕨傷反應(yīng)中過程中的變化規(guī)律（圖3）,。研究不僅發(fā)現(xiàn)了蕨類植物高抗蟲性的原因,，還發(fā)現(xiàn)了鐵線蕨中存在兩類茉莉素活性分子OPDA和JA-Ile，說明種子植物中的主要活性分子JA-Ile在蕨類中開始出現(xiàn),，而在石松類和苔蘚類等植物中,，主要以O(shè)PDA作為茉莉素的活性分子。

圖3：鐵線蕨JA合成與信號轉(zhuǎn)導通路解析

黃三文研究員參與了這項研究的實驗設(shè)計,，白書農(nóng)教授給予了建議和幫助,。感謝國家自然科學基金委重點研發(fā)計劃、中國農(nóng)業(yè)科學院“農(nóng)科英才”計劃和農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程,、深圳市農(nóng)業(yè)合成生物學重點實驗室等項目對本研究的經(jīng)費支持,。

報道原文：

《自然—植物》：閆建斌團隊破譯模式蕨類植物鐵線蕨基因組