大約5-6千萬年前，具有兩列對稱花的顯花植物金魚草的“祖先”出現了。
經歷數千萬年的進化，今日所見的金魚草誕生了，其花色愈發多樣，“顏值”越來越高。綻放之時，花瓣“裂”為上下兩唇，上唇為對稱的兩裂，下唇3裂，酷似一條金魚，也因此得名為“金魚草”。
金魚草因何“降生”在這個世界？金魚草花體變異如何演化、由誰控制？
近日，中科院遺傳與發育生物學研究所研究員薛勇彪領銜的團隊聯合英國等科學家共同發布了“金魚草全基因組精細圖譜”，“講述”了金魚草的進化故事，或為揭開謎底提供線索。
“我不只代表金魚草”
“顏值”迷人，質感如娟，成為園藝植物中的“明星”，金魚草當之無愧。
它誕生于地中海沿岸，從墨西哥到哥倫比亞，從加勒比海到太平洋，花色艷麗的金魚草一路綻放。它也從來不缺“粉絲”，早在古羅馬時代，金魚草就完成了馴化，成為庭院觀賞的最佳之選。
但金魚草的“野心”似乎不止于此，明明可以靠顏值吃飯，非得憑實力。因其“螺絲釘”的精神，它成為了植物學家的“寵兒”。
“‘好養’、‘皮實’，沒那么矯情，體型適中，易在實驗室進行操作。”薛勇彪總結了金魚草的特點。金魚草不挑生長環境，只要給它一點溫暖和陽光，它就能快速成長，7天可發芽，60-70天便開花，4個月內完成從種子再到種子的完整生命歷程。
“金魚草是研究植物遺傳學和發育遺傳學的重要模式植物，可以揭示很多關鍵的生物學問題，而其他生物難以做到。”薛勇彪告訴《中國科學報》記者。
比如，大多數的顯花植物都具有“自交不親和”的種內生殖障礙，而栽培金魚草有個獨特的“本領”——“自交親和性”。通過對金魚草中控制該性狀的基因的研究，對于物種避免近親交配和保持遺傳多樣性具有重要意義。
薛勇彪舉例，就像人類“近親婚配”影響后代健康一樣，“植物也要避免近親繁殖，否則這一群體的生存適應能力就會下降，導致自交敗育，甚至物種退化。”
此外，在最新的現代被子植物分類系統中，金魚草被劃為車前科金魚草屬植物，所屬該科的共有3000多種植物，廣泛分布于世界各地。
薛勇彪介紹，該屬各類群在形態上分化明顯但分化時間較短，為研究進化機制提供便利條件。“比如，已有研究發現尚未建立完全的生殖隔離，不少物種之間可發生雜交漸滲，形成了網狀進化格局。”
全基因組揭示家族進化史
作為一種模式物種，從19世紀早期，達爾文就開始利用金魚草做雜交實驗。隨后，科學家們相繼在金魚草中發現幾個關鍵基因。包括，控制金魚草“兩側對稱”花形狀的基因CYC和DICH、控制花序形成的基因CEN，以及控制植物花香形成的基因BAMT等。
“進化和功能永遠是生物學研究的核心問題。”論文共同通訊作者之一、中科院遺傳與發育生物學研究所研究員梁承志告訴《中國科學報》記者。受技術手段的影響，以往很多研究只針對每個基因“逐個擊破”，以探索其中奧秘。但沒有可靠的基因組序列圖譜，就無法揭示性狀特征等的整體進化機制和遺傳結構背景。
梁承志介紹，應用最近發展起來的單分子長片段測序技術，可以做大規模高通量的基因組測序，加上生物信息學分析技術的發展，構建基因組序列圖譜已變得比較容易且便宜。“分析單個基因與全基因組序列圖譜，相當于‘零售’和‘批發’的區別。一下子把基礎打好了，就能從基因組序列中讀出諸多進化與功能相關的信息。”
研究人員完成了一個近乎完整的金魚草栽培品種JI7的基因組序列，結合遺傳圖譜輔助組裝策略得到了金魚草8條染色體的分子序列，注解得到含有37,714個蛋白質編碼基因和800個microRNA基因，基因組圖譜的覆蓋度達97.12%。
在這個過程中，研究人員驚喜地發現，大約5千萬年前，金魚草的祖先發生了“特殊的”全基因組復制事件，這促使了它獲得新的性狀——兩側對稱，而這個時間與蜜蜂大規模出現的時間是一致的，“這也說明了金魚草作為一種蟲媒植物，其進化、變異與蜜蜂關系密切”。
“一片葉子，甚至一個細胞的基因組都深藏了金魚草的諸多歷史奧秘、”薛勇彪表示，“我們已知了許多基因的功能，但在大數據時代，我們會更容易發現功能上的相關性，通過驗證關系，以及確認功能上的因果關系。”
圖譜開啟更多可能
“金魚草全基因組精細圖譜”作為一個強有力的工具和開放平臺，此前已有了應用。
日前，奧地利科學技術研究所的科學家們基于這一圖譜，發現了導致“花開同時不同色”差異的基因。他們認為，蜜蜂的選擇性使顏色基因發生新突變，并在DNA序列中留下明顯信號；花色基因具有基因交換障礙，不容易在種群之間交換，因此決定花顏色的基因附近的基因組區域有差異。
薛勇彪領銜的團隊在基因組中注解到了約800個microRNA基因，為后來深度解析金魚草基因組的表觀遺傳調控機制提供了支撐。2017年11月份，英國學者在《自然》上揭示小RNA的選擇可影響花色模式的進化。
“生物世界怎么來的？怎么從簡單到復雜，再到多樣性，有了基因組序列圖譜，這些都可以一步步去認識。”薛勇彪說。
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