近日，西北工業大學生態環境學院教授蔡晶團隊聯合中國科學院天津工業生物技術研究所、云南農業大學團隊在植物生態學領域取得新突破，研究成果在《自然-植物》發表。
基因組蘊含了不同生物適應各自生態環境的奧秘。基因組大小與環境適應密切相關，一般推測大基因組的植物可能更加適合寒冷與陰暗的環境。但是由于超過20Gb的大型基因組解析困難重重，迄今為止大部分基因組解析工作都集中在2.45Gb（被子植物基因組大小中位數）以下的小型基因組，直到近年來才陸續發表少數幾個大基因組解析工作。
黑藥花科植物家族因為家族內物種基因組大小相差懸殊（超過230倍），成為研究植物基因組大小變化與生態適應的重要模式類群。本項研究在這個植物家族中選取了具有超大基因組的滇重樓和對照物種興安藜蘆開展基因組解析和比較進化分析，希望解析滇重樓超大基因組的演化和生態適應機制。
滇重樓植株及其與人類染色體核型對比。西北工業大學供圖
研究團隊經歷7年攻關，成功解析了滇重樓54.58Gb的超大基因組——相當于人類基因組的18倍！更令人驚嘆的是，其最大染色體長度突破14Gb，創下所有已知生物染色體長度的紀錄。
面對超大基因組組裝的世界性難題，研究團隊創新研發染色體組裝策略（已獲國家專利ZL202410969593.6），成功組裝出滇重樓五條巨型染色體。基于組裝結果，團隊通過深入分析染色體互作數據，首次發現這些“巨無霸”染色體在細胞兩次分裂間的休息期（細胞分裂間期）仍保持獨特的高階螺旋結構，每圈螺旋長達250Mb，顛覆了傳統認知。
為了找到滇重樓基因組增大的幕后推手，研究團隊解析其基因組增大的驅動機制。對比同科植物興安藜蘆（基因組僅3.93Gb）發現，興安藜蘆近期發生了兩次全基因組復制，而滇重樓基因組中卻沒有，因此滇重樓基因組增大與全基因組復制事件無關。
本項研究揭示了滇重樓超大基因組的演化和維持機制，發現了基因組的新型螺旋結構，為理解植物基因組大小差異和染色體結構多樣性提供了新的視角。此外，滇重樓是多年生植物，具有膨大的地下莖作為營養儲存器官；其地下莖中富含重樓皂苷等天然產物，藥用歷史悠久，是云南白藥、季德勝蛇藥等經典藥方的關鍵原料。破譯滇重樓基因組既有助于理解地下儲存器官演化的生態適應機制，更有助于解析重樓皂苷等天然產物生物合成通路，為利用細胞工廠高效生物合成重樓皂苷奠定重要基礎。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-025-02060-3