现存最原始种子植物苏铁基因组发布

近日,科学家完成苏铁基因组解析工作,发布苏铁完整基因组图谱,这意味着种子植物基因组演化研究中的最后一块拼图已顺利完成。4月18日,《自然-植物》(Nature Plants)以封面文章发表该研究成果。据悉,该研究成果数据公开共享,全球科学家可免费下载使用。

苏铁是地球上现存最古老的种子植物,是著名的“活化石”植物。它的起源可以追溯到大约3亿年前,在侏罗纪时代达到最盛期,曾与恐龙一起称霸整个地球。

苏铁经历过两次大灭绝、数轮冰川期等诸多考验,在这个星球上存活了亿万年,现今却已处于濒危边缘。目前,苏铁被世界自然保护联盟红色名录列为极度濒危物种,也是我国国家一级重点保护植物。2008年,中国政府主导完成的第一个“珍稀濒危植物回归”项目,便是关于苏铁保护。

据了解,作为最原始的种子植物,苏铁被誉为“植物界的大熊猫”。然而,苏铁的基因组较大,结构复杂,为科学研究工作增添不少难度。现存最原始种子植物中,仅苏铁分支一直缺少完整的基因组图谱。

2017年,深圳华大生命科学研究院(以下简称“华大研究院”)启动万种植物基因组计划,旨在推进生物多样性、进化、生态保护及各种重要基础科研和农业应用转化问题的研究。同年,华大研究院、深圳市仙湖植物园、中科院昆明植物所联合发起苏铁基因组项目。

据华大生命科学研究院刘欢研究员介绍,该项目选取苏铁类最基部的类群、同时也是中国特有的古老残遗种-攀枝花苏铁作为测序材料,吸引了植物学领域国际顶级专家加入,最终由国内外22个机构,60多名科学家共同参与完成,研究成果数据公开共享,全球科学家可免费下载使用。

研究团队基于现存苏铁目339种植物的转录组数据,重建了苏铁类自身的系统发育关系,确定了苏铁演化的完整历史。分子钟分析表明,现存苏铁的多样化同步发生于距今1100至2000万年之间,是中新世以来气候剧烈变化的结果。

此外,关于裸子植物的共同祖先是否经历了全基因组加倍事件一直存在争议。研究发现,伴随着种子植物起源,许多关键创新性状如种子发育、花粉、次生生长相关的基因家族均发生了创新或扩张。在种子植物的祖先节点共发现663个新获得的基因家族和368个扩张的基因家族,推断现存裸子植物的最近共同祖先可能经历了一次古老的全基因组复制事件。

研究还发现,苏铁种子的毒性虽限制了苏铁的食用功能,但其仍能发挥出重要的社会效益。研究团队在攀枝花苏铁基因组中发现一种细胞毒素蛋白基因(fitD),该基因起源于细菌,通过水平基因转移的方式转移到真菌和苏铁中。基于苏铁类339个物种转录组数据,研究发现该毒素蛋白只在苏铁中存在,且在苏铁种子和根部高表达,目前尚未在其他植物中发现。

深圳仙湖植物园张寿洲教授介绍:“本次发现的毒性蛋白能够杀死一些常见昆虫,如棉铃虫、小菜蛾等,目前已通过基因重组技术将其成功应用于棉花,事实证明其杀虫效率比现有抗虫棉更高,可在棉花种植中进行推广。此外,该毒性蛋白的植物性来源,也使其对玉米等农作物具有更安全、更高的保护性。”

此外,研究团队还揭露了苏铁的性别决定相关基因,揭示了苏铁性别决定的遗传机制。研究团队通过对62株雌雄苏铁群体(源于四川攀枝花苏铁国家级保护区)进行测序分析,在雄株的Y染色体中找到了雌雄表达差异最大的一个基因,该基因编码一个MADS-box转录因子,推测其调控雌雄苏铁的性器官发育。该转录因子的同源基因也仅能在雄株基因组中检测到,说明了该性别决定机制在苏铁类植物中的保守性。

深圳华大生命科学研究院刘阳、王思博、李林洲、杨婷、魏桐,深圳仙湖植物园董珊珊,兰州大学武生聃等为该论文共同第一作者。深圳仙湖植物园张寿洲,深圳华大生命科学研究院刘欢,中科院昆明植物所龚洵,美国佛罗里达大学Douglas E. Soltis,比利时根特大学Yves Van de Peer为论文共同通讯作者。

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