“植物界的大熊貓”誕生了！科學(xué)家發(fā)布蘇鐵完整基因組圖譜

近日，科學(xué)家完成蘇鐵基因組解析工作，發(fā)布蘇鐵完整基因組圖譜，這意味著種子植物基因組演化研究中的最后一塊拼圖已順利完成。4月18日，《自然-植物》(Nature Plants)以封面文章發(fā)表該研究成果。據(jù)悉，該研究成果數(shù)據(jù)公開共享，全球科學(xué)家可免費(fèi)下載使用。

蘇鐵是地球上現(xiàn)存最古老的種子植物，是著名的“活化石”植物。它的起源可以追溯到大約3億年前，在侏羅紀(jì)時(shí)代達(dá)到最盛期，曾與恐龍一起稱霸整個(gè)地球。

蘇鐵經(jīng)歷過兩次大滅絕、數(shù)輪冰川期等諸多考驗(yàn)，在這個(gè)星球上存活了億萬(wàn)年，現(xiàn)今卻已處于瀕危邊緣。目前，蘇鐵被世界自然保護(hù)聯(lián)盟紅色名錄列為極度瀕危物種，也是我國(guó)國(guó)家一級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物。2008年，中國(guó)政府主導(dǎo)完成的第一個(gè)“珍稀瀕危植物回歸”項(xiàng)目，便是關(guān)于蘇鐵保護(hù)。

據(jù)了解，作為最原始的種子植物，蘇鐵被譽(yù)為“植物界的大熊貓”。然而，蘇鐵的基因組較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為科學(xué)研究工作增添不少難度。現(xiàn)存最原始種子植物中，僅蘇鐵分支一直缺少完整的基因組圖譜。

2017年，深圳華大生命科學(xué)研究院(以下簡(jiǎn)稱“華大研究院”)啟動(dòng)萬(wàn)種植物基因組計(jì)劃，旨在推進(jìn)生物多樣性、進(jìn)化、生態(tài)保護(hù)及各種重要基礎(chǔ)科研和農(nóng)業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化問題的研究。同年，華大研究院、深圳市仙湖植物園、中科院昆明植物所聯(lián)合發(fā)起蘇鐵基因組項(xiàng)目。

據(jù)華大生命科學(xué)研究院劉歡研究員介紹，該項(xiàng)目選取蘇鐵類最基部的類群、同時(shí)也是中國(guó)特有的古老殘遺種-攀枝花蘇鐵作為測(cè)序材料，吸引了植物學(xué)領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)專家加入，最終由國(guó)內(nèi)外22個(gè)機(jī)構(gòu)，60多名科學(xué)家共同參與完成，研究成果數(shù)據(jù)公開共享，全球科學(xué)家可免費(fèi)下載使用。

研究團(tuán)隊(duì)基于現(xiàn)存蘇鐵目339種植物的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，重建了蘇鐵類自身的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，確定了蘇鐵演化的完整歷史。分子鐘分析表明，現(xiàn)存蘇鐵的多樣化同步發(fā)生于距今1100至2000萬(wàn)年之間，是中新世以來(lái)氣候劇烈變化的結(jié)果。

此外，關(guān)于裸子植物的共同祖先是否經(jīng)歷了全基因組加倍事件一直存在爭(zhēng)議。研究發(fā)現(xiàn)，伴隨著種子植物起源，許多關(guān)鍵創(chuàng)新性狀如種子發(fā)育、花粉、次生生長(zhǎng)相關(guān)的基因家族均發(fā)生了創(chuàng)新或擴(kuò)張。在種子植物的祖先節(jié)點(diǎn)共發(fā)現(xiàn)663個(gè)新獲得的基因家族和368個(gè)擴(kuò)張的基因家族，推斷現(xiàn)存裸子植物的最近共同祖先可能經(jīng)歷了一次古老的全基因組復(fù)制事件。

研究還發(fā)現(xiàn)，蘇鐵種子的毒性雖限制了蘇鐵的食用功能，但其仍能發(fā)揮出重要的社會(huì)效益。研究團(tuán)隊(duì)在攀枝花蘇鐵基因組中發(fā)現(xiàn)一種細(xì)胞毒素蛋白基因(fitD)，該基因起源于細(xì)菌，通過水平基因轉(zhuǎn)移的方式轉(zhuǎn)移到真菌和蘇鐵中。基于蘇鐵類339個(gè)物種轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)該毒素蛋白只在蘇鐵中存在，且在蘇鐵種子和根部高表達(dá)，目前尚未在其他植物中發(fā)現(xiàn)。

深圳仙湖植物園張壽洲教授介紹：“本次發(fā)現(xiàn)的毒性蛋白能夠殺死一些常見昆蟲，如棉鈴蟲、小菜蛾等，目前已通過基因重組技術(shù)將其成功應(yīng)用于棉花，事實(shí)證明其殺蟲效率比現(xiàn)有抗蟲棉更高，可在棉花種植中進(jìn)行推廣。此外，該毒性蛋白的植物性來(lái)源，也使其對(duì)玉米等農(nóng)作物具有更安全、更高的保護(hù)性。”

此外，研究團(tuán)隊(duì)還揭露了蘇鐵的性別決定相關(guān)基因，揭示了蘇鐵性別決定的遺傳機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)62株雌雄蘇鐵群體(源于四川攀枝花蘇鐵國(guó)家級(jí)保護(hù)區(qū))進(jìn)行測(cè)序分析，在雄株的Y染色體中找到了雌雄表達(dá)差異最大的一個(gè)基因，該基因編碼一個(gè)MADS-box轉(zhuǎn)錄因子，推測(cè)其調(diào)控雌雄蘇鐵的性器官發(fā)育。該轉(zhuǎn)錄因子的同源基因也僅能在雄株基因組中檢測(cè)到，說(shuō)明了該性別決定機(jī)制在蘇鐵類植物中的保守性。

研究還發(fā)現(xiàn)了蘇鐵種子儲(chǔ)存蛋白中的營(yíng)養(yǎng)功能、抗菌功能等。

深圳華大生命科學(xué)研究院劉陽(yáng)、王思博、李林洲、楊婷、魏桐，深圳仙湖植物園董珊珊，蘭州大學(xué)武生聃等為該論文共同第一作者。深圳仙湖植物園張壽洲，深圳華大生命科學(xué)研究院劉歡，中科院昆明植物所龔洵，美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)Douglas E. Soltis，比利時(shí)根特大學(xué)Yves Van de Peer為論文共同通訊作者。