PNAS｜基因组“活化石”：石松类植物缓慢的进化史

石松类植物是从苔藓植物向蕨类和种子植物进化的重要过渡类群，是研究植物重要器官（如根、真叶等）的形成以及植物生活史世代交替的进化中不可或缺的一环。石松类植物的历史可追溯到志留纪（距今约4.2亿年前）。现今的石松类植物通常是生长在林下的矮小草本，然而在远古时代，石松类植物则主要是高大的乔木，是植食性恐龙（例如侏罗纪和白垩纪）的主要食物之一，同时也为现代人类提供了丰富的化石能源。

石松类植物包括两个高度分化（距今约4亿年前）的植物类群：同型孢子（石松科）和异型孢子（水韭科和卷柏科）植物，二者具有不同的生殖方式。同时，同型孢子石松类植物基因组大小和染色体数目通常大大高于异型孢子石松类植物，为我们探究Science杂志公布的125个科学问题之一“Why are some genomes so big and others very small”提供了良好的研究体系。同时，石松类植物中的石杉亚科的植物含有重要活性成分——石杉碱甲，能够治疗各种神经系统疾病，如“阿尔茨海默”症。

近日，《美国国家科学院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS）》在线发表了基因组所王丽课题组在植物进化基因组学领域的最新研究成果“Extraordinary preservation of gene collinearity over three hundred million years revealed in homosporous lycophytes”。该研究通过对两个高度分化的同型孢子石松类植物进行全基因组解码，报道了3亿多年分化背景下植物基因组的“进化停滞”现象。

研究人员利用PacBio HiFi和HiC技术对两个高度分化（距今约3.5亿年）的同型孢子石松类植物（异源四倍体长白石杉（Huperzia asiatica）和二倍体扁枝石松（Diphasiastrum complanatum））进行了全基因组测序和组装。长白石杉的组装得到了138条染色体（亚基因组A：70，亚基因组B：68），基因组大小为7.8Gb；而扁枝石松的组装则得到了23条染色体，基因组大小为1.6Gb。该研究公布了同型孢子石松植物染色体水平基因组，填补了陆地植物主要谱系基因组数据的空白。

图1 | 同型孢子石松类植物长白石杉与扁枝石松

通过对这两个同型孢子石松基因组的共线性分析，研究人员发现，尽管它们分化已超过3亿年，仍然有约30%的基因保持了良好的共线性关系。这样高度分化的物种间仍然保留如此完好的基因共线性关系是一个前所未见的现象，暗示了两个同型孢子石松类植物自分化后的缓慢进化史。

图2 | 长白石杉和扁枝石松基因组间保守的共线性

全基因组复制（Whole genome duplication, WGD）及其后续的“二倍化”（Diploidization）过程是基因组大小和染色体数目变异的主要驱动力之一。首先，研究人员利用多种比较基因组学分析手段发现，长白石杉和扁枝石松各自经历了多次独立的古老的WGD事件。其次，通过对其WGD后的二倍化过程分析发现，相较于其他异型孢子植物，同型孢子石松类的二倍化过程缺乏大规模的染色体重排和丢失（Rearrangement and fractionation）。相反，它主要通过一种小规模的同源基因交互丢失的方式进行二倍化，形成了一种独特的二倍化过程。研究人员在该项目中提出了一种同型孢子石松类植物“Riceprocal fractionation”的二倍化模型。这一模型也有助于解释为何同型孢子石松类植物基因组大小和染色体数目普遍高于异型孢子石松类植物。

图3 | 同型孢子石松类WGD后续二倍化过程模型——“Riceprocal fractionation model”

亚基因组显性（Subgenome dominance）是指物种多倍化后，其中一个亚基组往往会占据主导地位，表现为同源基因的优先保留或基因表达水平的提高。尽管亚基因组显性一直是多倍体基因组研究的热点问题，但在被子植物之外鲜有研究报道。研究人员对异源四倍体长白石杉的亚基因组同源基因表达偏向性（Homeologous expression bias, HEB）进行了分析，结果显示四倍体长白石杉基因组不存在亚基因组显性的现象；然而，约30%的HEB基因对仍然存在，并且HEB受选择压和LTR插入的影响。

图4 | 异源四倍体长白石杉的亚基因组显性分析

综上所述，该研究通过解析两个石松类植物基因组，揭示了古老的同型孢子石松类植物独特的基因组进化史，丰富了我们对植物基因组进化的认识，对于后续探讨植物重要器官形成的分子机制也打下了良好的基础。另外，该研究选取的长白石杉含有石杉碱甲，而扁枝石松不含有石杉碱甲。该项目也为后续的石杉碱甲全合成通路的解析和进化机制研究奠定了基础。

基因组所助理研究员李诚和Boyce Thompson Institute的David Wickell博士为该论文的共同第一作者，基因组所王丽研究员和Boyce Thompson Institute的Fay-Wei Li博士为共同通讯作者。

该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市基础研究计划等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2312607121