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植物所科研人員在馬兜鈴基因組解析和被子植物進化研究中取得重要進展

  被子植物分為四大核心分支,即ANA被子植物基部類群、木蘭類植物、單子葉植物和真雙子葉植物。馬兜鈴屬(Aristolochia)是木蘭類植物,該屬的植物具有極強欺騙性的“誘捕—囚禁—釋放”傳粉系統,獨特的花形態是引誘傳粉者的重要“誘餌”,同時還具有備受爭議的藥用價值。馬兜鈴屬植物因此備受爭議和關注,鑒于馬兜鈴屬植物的進化位置,對于馬兜鈴屬植物基因組的解析就十分重要。 

  針對上述問題,中科院植物研究所焦遠年研究組利用Nanopore、Bionano光學圖譜和Hi-C等測序技術,對流蘇馬兜鈴(Aristolochia fimbriata)進行了基因組測序和組裝,獲得了高質量的參考基因組,注釋到了21,751個蛋白編碼基因。研究人員通過基因組進化分析,發現流蘇馬兜鈴自現存被子植物起源后未經歷過全基因組加倍事件,是目前發現的、除ANA基部的無油樟(Amborella trichopoda)外第二個未經歷過全基因組加倍的測序物種。它也因獨特的基因組進化歷史成為比較基因組學研究的一個重要對象,為解析其他被子植物基因組的進化及被子植物祖先基因組特征等提供了重要參考。 

  前期大量基于序列的研究,一直都難以獲得高可信度的系統發育關系。該研究通過對被子植物主要類群的代表物種進行基因組結構比較,發現木蘭類植物和單子葉植物共享了一次染色體易位事件,而真雙子葉植物則缺失了這一演化的特征,研究結果支持了木蘭類植物和單子葉植物可能互為姐妹群,而雙子葉植物在二者分化之前已經形成的觀點。 

  該研究還進一步挖掘了馬兜鈴花發育和次生代謝產物合成相關的遺傳基礎。通過基因組及轉錄組等的整合分析,發現花發育相關的同源基因冗余度極低,且多數基因的序列、結構和表達模式均較為保守,流蘇馬兜鈴花特化的形成可能與相關基因特定的表達模式及其下游調控網絡的變化有關。另外,該研究還分析了萜類和馬兜鈴酸等次生代謝產物合成相關的遺傳基礎,并構建了AA I的合成通路,為后續相關基因的功能研究奠定了基礎。鑒于流蘇馬兜鈴基因組冗余度極低,還具有生長周期短、易于大規模種植和基因組小等特征,它有被發展為木蘭類模式植物的潛力,用于花發育、發育遺傳學及次生代謝產物合成等方面的研究。 

  該成果于9月2日在線發表于國際學術期刊Nature Plants上。植物所博士研究生秦劉玉、胡昳恒、王金朋、王曉亮和助理研究員趙然為該論文的共同第一作者,焦遠年研究員為通訊作者。植物所孔宏智研究員以及國外Claude dePamphilis,Douglas Soltis,Pamela Soltis,James Leebens-Mack,John Bowers,Stefan Wanke教授參與了該項工作。該研究得到了中國科學院戰略性先導項目和王寬誠教育基金會的資助。 

  文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41477-021-00990-2 

  (進化實驗室供稿)

 

流蘇馬兜鈴的形態和基因組特征

染色體結構變異推測木蘭類植物、單子葉植物和雙子葉植物的系統發育關系

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