更新时间：作者：小小条
近日，西北工业大学生态环境学院蔡晶教授团队联合中国科学院天津工业生物技术研究所江会锋研究员和云南农业大学杨生超教授团队在植物生态学领域的最新原创研究成果在《Nature Plants》（《自然-植物》）期刊发表。这是蔡晶教授继2023年11月在《Nature Genetics》发表葱属植物多样性演化的生态适应机制研究之后的又一重要研究成果。
基因组蕴含了不同生物适应各自生态环境的奥秘。因此，利用基因组为基础的多组学生物大数据，从基因和分子层面揭示生物多样性演化进程中生物与环境互作的生态适应机制，成为基因组学前沿技术推动生态学科创新发展的新方向。基因组大小与环境适应关系密切，一般推测大基因组的植物可能更加适合寒冷与阴暗的环境。但是由于超过20Gb的大型基因组解析困难重重，迄今为止大部分基因组解析工作都集中在2.45Gb（被子植物基因组大小中位数）以下的小型基因组，直到近年来才陆续发表少数几个大基因组解析工作。黑药花科植物家族因为家族内物种基因组大小相差悬殊（超过230倍），成为研究植物基因组大小变化与生态适应的重要模式类群。本项研究在这个植物家族中选取了具有超大基因组的滇重楼和对照物种兴安藜芦开展基因组解析和比较进化分析，希望解析滇重楼超大基因组的演化和生态适应机制。
研究团队经历7年攻关，成功解析了滇重楼54.58Gb的超大基因组——相当于人类基因组的18倍！更令人惊叹的是，其最大染色体长度突破14Gb，创下所有已知生物染色体长度的纪录。
滇重楼植株及其与人类染色体核型对比
面对超大基因组组装的世界性难题，研究团队创新研发染色体组装策略（已获国家专利ZL202410969593.6），成功组装出滇重楼五条巨型染色体。基于组装结果，团队通过深入分析染色体互作数据，首次发现这些“巨无霸”染色体在细胞两次分裂间的休息期（细胞分裂间期）仍保持独特的高阶螺旋结构，每圈螺旋长达250Mb，颠覆了传统认知。
滇重楼染色体图谱与细胞分裂间期高阶螺旋模型
为了找到滇重楼基因组增大的幕后推手，研究团队解析其基因组增大的驱动机制。对比同科植物兴安藜芦（基因组仅3.93 Gb）发现，兴安藜芦近期发生了两次全基因组复制，而滇重楼基因组中却没有，因此滇重楼基因组增大与全基因组复制事件无关（图3）。相反，这种扩张是由占其基因组 96% 的转座子驱动的。其中78% 的转座子插入发生在2900万年前，Ty3/gypsy 和 Helitron 等基因组重复元件是扩张的主要驱动因素。
同时为了适应超大基因组和染色体的正常稳定复制这一生存挑战，研究团队还发现滇重楼进化出三大适应性的“生存智慧”，包括DNA修复相关基因家族的显著扩充、5mC高甲基化沉默转座子的表观遗传调控、以及增强异染色质稳定性的组蛋白H2A.W亚家族的特异突变。
黑药花科植物全基因组复制历史
本项研究揭示了滇重楼超大基因组的演化和维持机制，发现了基因组的新型螺旋结构，为理解植物基因组大小差异和染色体结构多样性提供了新的视角。此外，滇重楼是多年生植物，具有膨大的地下茎作为营养储存器官；其地下茎中富含重楼皂苷等天然产物，药用历史悠久，是云南白药、季德胜蛇药等经典药方的关键原料。破译滇重楼基因组既有助于理解地下储存器官演化的生态适应机制，更有助于解析重楼皂苷等天然产物生物合成通路，为利用细胞工厂高效生物合成重楼皂苷奠定重要基础。
重楼、洋葱、大蒜、石蒜、百合等都是百合类单子叶植物中具有地下储存器官的植物，为人类贡献了大量食用、药用和观赏园艺植物资源。而地下储存器官演化常常伴随形态发育、天然产物合成和基因组增大三方面重要演变，蔡晶教授团队致力于利用多组学大数据，从这三方面解析其生态适应机制。前期发表在《Nature Genetics》的工作已经在葱属植物形态风味演化密切相关的球茎形态发育和天然产物合成机制方面取得了重要进展。在上述工作的基础上，研究团队将进一步在葱属和重楼的泛基因组图谱绘制、天然产物合成通路演化解析、地下储存器官形态发育的单细胞转录代谢时空分析等方面开展深入研究，希望为更加全面深入地理解植物地下储存器官演化的生态适应机制提供翔实的数据，为生物多样性保护和利用提供重要理论基础和实践指导。
来源：西北工业大学 古都先锋 责编:杨雪
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