石菖蒲及單子葉植物祖先基因組演化研究獲進展

2022年7月14日，Nature Plants在線發表了來自中國科學院武漢植物園王青鋒、陳進明團隊與法國合作者的重要成果，公布了單子葉植物最早期分支菖蒲目中的重要水生藥用植物石菖蒲（Acorus tatarinowii）的基因組，相關研究初步揭示了單子葉植物祖先早期基因組演化過程和規律，為理解包括禾本科在內的單子葉植物輻射進化過程奠定了重要基礎。

單子葉植物是開花植物（被子植物）重要的分支之一，約占被子植物物種多樣性的21%，包含了香蕉、蘆筍、椰子等重要的園藝作物和水稻、小麥、玉米等大宗糧食作物。根據大規模取樣的分類學和分子系統發育研究顯示，菖蒲目（Acorales）是單子葉植物中現存的最早分支類群，與其它所有單子葉植物互為姐妹類群，類似于被子植物早期分支的無油樟和真雙子葉植物早期分支的毛茛目的系統發育地位，菖蒲目物種是探討和揭示單子葉植物早期演化過程的重要材料。

單子葉植物在形態特征上（如根、葉脈等）明顯區別于其它開花植物，其祖先的早期起源是植物演化生物學關注的熱點問題之一，最早的單子葉植物化石記錄可以追溯到白堊紀早期。除卻基部單子葉植物（菖蒲目、澤瀉目、水鱉目等）大多為水生、濕生植物等原因外，早期水生單子葉植物化石記錄（例如澤瀉目等）至少出現在上白堊紀，有學者因此提出單子葉植物祖先起源于水生環境，但單子葉植物祖先水生起源的推測仍需更多的古生物學和基因組演化的證據支持。而對已測序的單子葉植物物種基因組中基因或同源片段的線性排序變化比較分析，將有助于了解驅動單子葉植物演化軌跡的關鍵影響因素。在單子葉植物輻射分化過程中，全基因組重復或古多倍化（WGD）現象十分普遍，該現象被認為是推動物種多樣化和適應環境的關鍵機制之一，古多倍化和其衍生的基因組重排如何推動單子葉植物多樣化這一問題亟待解決。

針對上述科學問題，武漢植物園與法國國家農業食品與環境研究院合作，利用PacBio和Hi-C技術完成了石菖蒲全基因組測序和染色體水平的組裝。通過與其他單子葉植物的全基因組比較分析發現，石菖蒲僅經歷過1次獨立的古多倍化事件并伴隨有亞基因組優勢效應（subgenome dominance），除石菖蒲和海生植物大葉藻外，其它單子葉植物都發生過2次或2次以上的基因組加倍（圖1）。在研究涉及的單子葉植物中，石菖蒲基因組結構演化（基因在染色體上的線性排序/共線性）和氨基酸序列替換速率均表現最為緩慢和保守。進一步的相關性分析還發現，各物種基因組共線性結構的相對保守性與其序列替換速率和基因組加倍次數顯著相關，這可能是石菖蒲基因組結構演化相對較慢的原因。代表性單子葉植物基因組結構與外類群（蓮）的比較分析表明，基因上下游區域的甲基化程度、基因表達的組織特異性等可能是約束基因組結構演化的重要因素。

圖1 單子葉植物祖先核型（AMK）與早期分支的單子葉植物共線性比較與全基因組復制次數（Ata: 石菖蒲）

該項研究基于石菖蒲和其它單子葉植物早期分支物種，將之前構建的pre-τ時期的單子葉植物祖先核型（pre-τ AMK，2n = 10）（Murat et al., 2017, Nature Genetics, doi:10.1038/ng.3813）更新到了單子葉植物最早期祖先的12條染色體（AMK，2n = 12）（圖2）。基于該祖先核型，重演了單子葉植物早期的核型演化過程：石菖蒲的核型是由單子葉植物祖先AMK （n = 6）通過其特有的基因組加倍形成 n = 12 染色體中間體，然后進行12次染色體融合而形成其目前的12條現代染色體（圖3）。研究還發現，與石菖蒲等早期分支的類群相比，禾本科植物（如水稻）歷史上經歷過更多次的融合、分裂等染色體重排事件。

圖2 單子葉植物祖先染色體的構建及其早期核型演化過程

圖3 從單子葉植物祖先染色體到石菖蒲染色體核型的演化過程

在基因家族演化方面，該項研究揭示了與單子葉植物早期形態演化和適應濕地或水生生境（如平行葉脈和初生根的退化、低水平的無機磷酸鹽的水生環境）相關的重要功能基因家族演化事件。例如在擬南芥中DOT3（DEFECTIVELY ORGANIZED TRIBUTARIES 3）基因已被證實其功能缺失會導致幼苗和初生根生長方面存在缺陷，并在幼葉中產生異常的平行脈紋，DOT3在單子葉植物和水生睡蓮目植物（睡蓮、芡實）中都發生了丟失，可能與這兩個類群的平行/掌狀葉脈和初生根（主根）退化等特殊性狀相關（圖4）。

圖4 擬南芥中影響葉脈和主根發育的DOT3基因在單子葉植物和睡蓮目植物中同時丟失

研究成果以“The slow-evolving Acorus tatarinowii genome sheds light on ancestral monocot evolution”為題發表在Nature Plants（《自然·植物》）上。中國科學院水生植物與流域生態重點實驗室/武漢植物園石濤副研究員為第一作者，法國國家農業食品與環境研究院Jerome Salse教授、武漢植物園陳進明研究員和王青鋒研究員為共同通訊作者。相關研究工作得到了中國科學院戰略性先導科技專項（XDB31000000）、國家自然科學基金（32170240、31570220 和31870208）和中國科學院青年創新促進會（2019335）等項目的資助。