一、研究背景
全世界范圍分布超過35萬余種的種子植物，包含銀杏類、蘇鐵類、松柏類、買麻藤類和被子植物五大類，買麻藤 Gnetum montanum 是現(xiàn)存裸子植物中唯一的藤本植物，具有被子植物相關(guān)特性，系統(tǒng)進(jìn)化地位特殊，不同假說層出不窮，迄今仍未有定論，號(hào)稱百年之爭(zhēng)。諾禾致源和仙湖植物園針對(duì)4.2G的高雜合、高重復(fù)基因組升級(jí)了基因組組裝軟件，成功繪制了第一個(gè)買麻藤高質(zhì)量的基因組精細(xì)圖譜。同時(shí)與其他已經(jīng)發(fā)表的被子植物和裸子植物基因組進(jìn)行基因組學(xué)比較分析，為人類重新理解早期種子植物演化及適應(yīng)歷史提供新的視角。
本研究以G.montanum為研究對(duì)象，通過構(gòu)建不同類型的文庫(180bp, 300bp, 500bp, 2k, 5k, 10k 和10-20k)，基于Illumina Hiseq測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序，從基因組學(xué)、比較基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)等角度揭示了買麻藤的獨(dú)特性。
二、研究?jī)?nèi)容
1、基因組組裝和注釋
買麻藤的基因組大小流式估計(jì)4.2G, k-mer分析為4. 11G。本文組裝出了4.07G的序列,預(yù)測(cè)了27,491個(gè)蛋白編碼基因。BUSCO評(píng)估有81%的完整性，其他已經(jīng)報(bào)道的裸子植物基因組最高值只有61%。
2、重復(fù)序列研究
已經(jīng)發(fā)表的裸子植物基因組，包括針葉樹和銀杏，均顯示是由于這些物種缺乏有效的重復(fù)序列去除機(jī)制和長(zhǎng)期的古老重復(fù)序列積累，特別是LTR-RTs序列，造就了它們龐大的基因組。跟其他裸子植物一樣，買麻藤的基因組的重復(fù)序列比例很高，主要成分LTR-RTs占了77.4%。通過solo LTR和intact LTR的比例分析，買麻藤的這一比例顯著高于其他裸子植物，顯示買麻藤保留著有效的LTR-RTs消除機(jī)制。無油樟基因組被證明保留著許多早期被子植物祖先基因組的古老特征，它的重復(fù)序列進(jìn)化模式跟其他的被子植物有著顯著的區(qū)別：保留著古老的重復(fù)序列，沒有近期的LTR-RTs插入，有效的重復(fù)序列消除機(jī)制。買麻藤和無油樟擁有相同的重復(fù)序列進(jìn)化模式，這種模式顯著區(qū)別于其他裸子植物和被子植物。
3、內(nèi)含子多態(tài)性研究
在真核生物中，它們的內(nèi)含子的長(zhǎng)度是跟基因組大小成正比的， 然而我們的分析顯示該結(jié)論在種子植物基因組中不能廣泛適用。之前有研究報(bào)道銀杏和針葉樹的內(nèi)含子比被子植物長(zhǎng) (圖1a)，可能是由于LTR-RTs長(zhǎng)期穩(wěn)定擴(kuò)增造成的，其中LTR-RTs在火炬松和銀杏中占長(zhǎng)內(nèi)含子序列的51％和59％。分析買麻藤的內(nèi)含子，發(fā)現(xiàn)它的內(nèi)含子比火炬松和銀杏的短 (圖1a)。比較無油樟和買麻藤的內(nèi)含子，發(fā)現(xiàn)它們之間有一些相似性，都有豐富的LINEs (圖1e)，與其他裸子植物相比關(guān)系更近。
a.9個(gè)代表性種子植物的內(nèi)含子長(zhǎng)度和基因組大?。?br>
b.無油樟、買麻藤、火炬松和銀杏內(nèi)含子中4種TEs的序列差異分布；
c.d.e直系同源內(nèi)含子的比較
4、全基因組重復(fù)事件(WGD)
之前有報(bào)道稱所有種子植物都至少經(jīng)歷了一次古代WGD事件，在許多被子植物的譜系中，WGD事件是反復(fù)和持續(xù)的。在裸子植物中，針葉樹、銀杏和蘇鐵中發(fā)生過WGDs。但是對(duì)于買麻藤類植物，買麻藤和麻黃都無法檢測(cè)到WGD事件的信號(hào)，盡管麻黃存在廣泛的多倍化事件，而對(duì)于百歲蘭，分析顯示它與麻黃、買麻藤分化之后經(jīng)歷了一次特有的WGD事件，這與之前的報(bào)道一致。
如果所有的種子植物都經(jīng)歷了古代WGD事件，在買麻藤中沒有信號(hào)表明發(fā)生過，可能是因?yàn)榕c其他裸子植物相比它的基因進(jìn)化速度比較快，從而導(dǎo)致在300百萬年的進(jìn)化過程中這些信號(hào)逐漸被消除。
5、功能蛋白構(gòu)成進(jìn)化的研究
為了了解陸生植物基因功能多樣化進(jìn)化的模式，我們?cè)诙鄠€(gè)物種中使用主成分分析(PCA) 來分析 pfam 區(qū)域的數(shù)量，結(jié)果顯示被子植物與裸子植物分離，形成了一個(gè)離散的簇 (圖2a)，而對(duì)于裸子植物，除了買麻藤，其他的裸子植物同樣聚在了一起。 與其他種子植物不一樣，分離出來的買麻藤與江南卷柏和小立碗蘚形成一個(gè)進(jìn)化枝(圖2b)，而非買麻藤綱的裸子植物形成了一個(gè)分離的分支 (圖2b)。說明買麻藤保留著古老的種子植物祖先功能基因集合的狀態(tài)，并未發(fā)生劇烈的家族擴(kuò)張和收縮。
a. 基于陸生植物的pfam域數(shù)目的PCA分析；
b. 熱圖顯示江南卷柏和買麻藤的功能蛋白域整體分布類似。
6、通過比較基因組學(xué)推導(dǎo)早期種子植物不同分支的基因組演化歷史(圖3)
文章亮點(diǎn)
- 首次完成了高質(zhì)量的買麻藤基因組精細(xì)圖譜繪制，為研究早期種子植物的分歧演化提供了重要關(guān)鍵的數(shù)據(jù)資源。
- 從重復(fù)序列、內(nèi)含子、WGD、基因功能區(qū)域分布等不同層面揭示了買麻藤特有的基因組特征，顯著區(qū)別于其他已報(bào)道的種子植物（針葉樹、銀杏、大多數(shù)被子植物）。
- 通過基因組學(xué)比較分析，揭示了早期種子植物不同分支的基因組演化歷史并推導(dǎo)了其共同最近祖先的古老基因組特征。
參考文獻(xiàn)
[1] Wan T, Liu ZM, Li LF, et al. A genome for gnetophytes and early evolution of seed plants[J]. Nature plants, 2018, s41477-017-0097-2.
