作者:刘阳等 来源:《自然—植物》 发布时间:2022/4/22 9:41:43
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铁树“开花”:苏铁喜获完整基因组图谱

 

苏铁基因组图谱研究由来自22个科研机构的65位科学家联合完成。

  苏铁目系统发育树支持现存苏铁是在经历大量灭绝以后,几次辐射演化的后代。如今苏铁有2科10属。 (刘阳供图)

也许你不熟悉苏铁类植物,但你一定听说过“铁树开花”这个成语,比喻事情很难实现。相传因受苏东坡青睐,铁树得名“苏铁”。

作为现存最原始的种子植物,苏铁类植物曾与恐龙一起“称霸”地球,但由于基因组较大、重复序列含量高、结构复杂等原因,超过2.7亿岁的年纪却一直没有得到完整的基因组图谱,致使种子植物基因组演化研究版图始终缺少一块关键“拼图”。

4月18日,《自然—植物》以封面文章公布了苏铁基因组图谱。相关题为《苏铁基因组与种子植物的早期进化》的研究成果,由来自22个科研机构的65位科学家联合完成,填补了种子植物基因组研究的空白,标志着种子植物各大分支的基因组均已覆盖,为后续比较基因组学的开展奠定了基础。

基因组测序证实“元老”地位

种子植物包括裸子植物和被子植物,裸子植物分为四大类,即苏铁类、银杏类、松柏类和买麻藤类。然而,关于四大类裸子植物之间的系统演化关系,学界一直有不同观点。当苏铁也有了基因组图谱,明确了系统位置,分歧或可解决。

文章介绍,测序材料选取的是苏铁的基部类群、也是整个苏铁类分布纬度最北的种类——攀枝花苏铁,其基因组组装大小为10.5 Gb,挂载11条染色体,评估完整度91.6%,是目前裸子植物中最高质量的大基因组图谱。

分析表明,苏铁单独(线粒体数据)或和银杏一起(核基因、叶绿体数据)构成其他所有裸子植物的姐妹群。

同时,由于早期维管植物的精子都是有鞭毛、可以游动的,随着演化,鞭毛丢失。“在现存种子植物中只有苏铁和银杏保留精子具鞭毛的特征,研究人员发现,苏铁和银杏均保留了大量鞭毛组装所需的基因。”论文第一作者,深圳华大生命科学研究院、深圳市中科院仙湖植物园研究员刘阳告诉《中国科学报》。

此外,与鞭毛行使功能密切相关的外周致密纤维合成基因(ODFs),只在苏铁和银杏基因组中存在,在其他种子植物中则全部丢失。进一步证实了苏铁在种子植物演化中的古老地位。

不必再苦等“铁树开花”

完整的基因组图谱就像揭秘手册一样,解开了一个个谜团。

例如,全基因组复制事件(WGD),是植物演化适应的重要驱动力,关于裸子植物共同祖先是否经历了WGD,同样存在着争议。

研究人员采用对重复基因同义替代分析和系统发育基因组学方法,并使用基因组内共线性区域进行比较验证,发现裸子植物的共同祖先经历了一次WGD(命名为ω)。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。

再例如,铁树(即苏铁)开花确实难,一般需要十年以上时间以及适宜的环境。苏铁类植物虽为雌雄异株,但也只能在开花时才能判断性别。如果可以在植株进入花期前就确定性别,对于超过2/3 的种类处于濒危状态的苏铁类植物来说具有重要意义。

研究人员找到雌雄表达差异最大的一个基因来自雄株的Y染色体,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,揭示了苏铁性别决定的遗传机制。

在现有实验水平下,通过一小片叶子,花费不超过10元钱,一天之内就能获知一株苏铁的性别了。

《自然—植物》同期配发的评论文章甚至以《苏铁性别鉴定——潜在的救星》为题指出,对这些神秘古老的植物而言,找到了性别调控基因,就迎来了种群保护的盛大机遇。

独具毒蛋白,身怀抗虫技

“害虫一般不会吃苏铁。”刘阳透露,一个意外收获是,他们在攀枝花苏铁基因组中发现一种细胞毒素蛋白基因fitD。

“FitD起源于细菌,通过水平基因转移的方式转移到苏铁中。”刘阳介绍,水平基因转移泛指不同物种间的基因交流,在陆生植物适应性进化过程中起到推动作用。

基于苏铁类339个物种转录组数据,研究人员发现fitD只在苏铁属物种中存在。并且,fitD基因在种子和根部高表达,这可能也是苏铁种子和根部具有毒性的原因之一。

基于基因重组技术,在大肠杆菌表达的fitD产物对小菜蛾和棉铃虫有显著致死性,显示出fitD具有作为生物农药的应用前景。假以时日,或许fitD基因转移到棉花等作物,轻松实现棉花无“虫”。(来源:中国科学报 张楠)

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41477-022-01129-7

https://doi.org/10.1038/s41477-022-01133-x

 
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