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Cell | “榕城”学者联合西双版纳科学家解析榕树气生根、性别决定和榕-蜂共演化机制

花匠小妙招
2024-12-28 15:44

2020年10月8日，福建农林大学明瑞光课题组，联合中国科学院西双版纳热带植物园陈进课题组在国际顶级期刊Cell杂志上发表了题为Genomes of the banyan tree and pollinator wasp provide insights into fig-wasp coevolution的研究长文，发布了榕树和榕小蜂精细基因组图谱，并揭示了榕属植物气生根形成、性别决定、及其与传粉榕小蜂共演化机制。

榕属植物 (Ficus) 组成了桑科物种中最大的一个属，含有约830个种，统称榕树。其地域分布广泛，环境适应能力较强，距今已有约9000万年历史【1】。榕树与人类生活息息相关。早在新石器时代，约旦河谷的先民已经开始驯化无花果（F. carica）作为重要的食物来源【2】。“菩提本无树，明镜亦非台”，相传释伽牟尼坐于菩提树 (F. religiosa) 下悟道成佛。作为榕属大家族中的一员，菩提树成为了历代佛门弟子的精神寄托。如今，榕树作为重要的行道树遍布大江南北。福州以其榕树繁多而古美收获“榕城”美誉。

千年古榕（福州国家森林公园，摄影：廖振阳）

榕树分属于榕属植物6个不同亚属，白肉榕亚属、榕亚属、无花果亚属、糙叶榕亚属、聚果榕亚属和薜荔榕亚属。其中，白肉榕亚属和榕亚属均为雌雄同株，无性别之分。同时，榕亚属的380多个物种均可以产生繁茂的气生根，以“绞杀”著称。其他四个亚属大多数榕树属于（功能性）雌雄异株榕树，其雌树榕果内雄花败育，只有长花柱雌花，最终生成种子；而雄树榕果内具有雄花和短花柱雌花，雌花可供榕小蜂寄生，最终产生花粉和花粉运输载体——榕小蜂。另外，大部分雌雄异株榕树均无气生根之茂（斜叶榕等除外）。榕树花开于果内，又称隐头花序。每一种榕树都需要一种特定的榕小蜂进入果子传粉。这种专性共生关系形成了独特的榕蜂共演化系统。榕树的这些特征，引发人们提出一系列有趣的科学问题：1）气生根形成的遗传机制是什么？2）何种基因控制榕树性别决定？3）榕属的祖先是雌雄同株还是雌雄异株？4）榕树通过何种机制吸引专性传粉榕小蜂？5）榕蜂共适应的遗传机制是什么？6）不同榕亚属的起源与系统演化地位是什么？

为了解析上述科学问题，“榕城”学者联合中科院版纳植物园科学家，使用PacBio单分子测序、染色质三维构象捕获 (Hi-C) 和高密度遗传图谱等技术成功构建了两个榕树（小叶榕、对叶榕）和小叶榕传粉榕小蜂高质量基因组精细图谱。其中，小叶榕 (F. microcarpa) 属于榕亚属，雌雄同株，具有繁茂气生根，基因组大小为436 Mb，含有13对染色体；而对叶榕 (F. hispida) 属于聚果榕亚属，雌雄异株，不具有气生根，基因组大小为360 Mb，含有14对染色体。比较基因组学研究发现两者存在大量的结构变异，如染色体断裂、片段化重复等。这些变异与植物免疫、帖烯类合成等重要的生物学过程有关，为其适应性演化提供了遗传基础。

研究人员进一步通过转录组分析鉴定了811个在气生根尖中特异性高表达的基因，这些基因显著富集在运输相关的通路。值得注意的是，与生长素合成、调控与运输相关的多个基因在气生根中都有高度表达，如PIN、GNOM、TAR、YUC、IAA14、ARF7/19、PLETHORA2和WOX11等。同时，相比于无气生根的其他物种（对叶榕、桑树和拟南芥），部分基因呈现出大量的扩张。这些基因包括与生长素合成 (YUC2, YUC6和TAR)，生长素信号级联反应(CLU1, SINAT5)，生长素运输 (PIN1和GNOM) 以及光受体 (CRY2和PHR2) 相关基因。代谢组分析显示，小叶榕气生根中积累大量的IAA生长素（15.65 ng/g），是小叶榕和对叶榕叶片生长素含量的5倍。这些结果表明，在光照刺激下，小叶榕体内生长素大量合成并转运，从而介导了其气生根的形成和发育（图1）。

图1. 小叶榕气生根形成和发育的遗传机制。（A）气生根中特异性高表达的基因。这些基因参与气生根生长发育。（B）小叶榕中参与生长素合成、信号转导、运输和光受体的基因家族发生了扩张。（C）PIN基因在小叶榕、对叶榕和拟南芥中的系统发育关系。（D）代谢组分析两种榕树不同组织的生长素和细胞分裂素的不同组分的含量。（E）气生根生长发育遗传机制模式图。

榕树的性别是由XY系统决定。在雌树榕果中，雄花败育；在雄树榕果中，雌花由于榕小蜂寄生发育成瘿花。研究人员通过构建F1群体并利用不同性别的自然群体重测序数据，发现位于对叶榕12号染色体上的2Mb区间发生重组抑制，鉴定为性别决定区域（图2）。该区间具有一个MADS-box家族基因，且该基因仅存在于雄性个体中。进一步分析发现，该基因属于ABC模型的关键基因AG同源基因。在拟南芥中，AG控制心皮和雄蕊的发育。雌雄同株的小叶榕只含有一个AG基因，而雌雄异株的对叶榕具有三个AG同源基因。FmAG1和FhAG1具有相似的表达模式，并维持了很强的共线性，是AG的直系同源基因。而FhAG2和FhAG3基因是AG的旁系同源基因，具备相似的表达模式并都只存在雄性个体中。这些结果表明，榕属植物性别分化以后，AG基因发生了两次复制，并产生新功能，其中FhAG2位于重组抑制区且是雄性特异性序列，从而形成对叶榕的性别决定的候选基因。对来自不同亚属的雌雄异株榕树PCR分析表明，FhAG2可能是榕属普遍的性别决定因子，而非之前认为的无花果的性别决定基因FcRAN1。榕属水平的群体重测序分析表明，雌雄同株为榕属的祖先状态，且雌雄分化在距今约4750万年的始新世时期，这一时期气候变暖，二氧化碳含量剧增。

图2. 对叶榕性别决定机制的研究和Y染色体的演化。（A）比较分析F1雌、雄遗传图谱鉴定重组抑制区。（B）对叶榕12号染色体0-5Mb区间雌雄重测序数据杂合度分析。（C）X和Y染色体比较分析鉴定性别决定区存在一处染色体倒置。（D）JBrowse呈现FhAG2基因只存在于雄性个体中。（E）小叶榕和对叶榕AG基因在不同组织中的表达。SA，SB和SC为三个果实发育的不同时期。

榕树与榕小蜂在长期的协同演化中形成了稳定的专性互惠共生关系，体现在一种榕树一般只对应一种特异的传粉榕小蜂。维系这种共生关系需要两者在各自物种分化过程中形成彼此匹配的生物学形态特征。例如，不同榕树具有不同大小的果实，相应传粉小蜂的体型也会有所差异才得以通过狭小的苞片口钻入榕果中进行传粉和产卵。这意味着，编码这类形态特征的基因在群体演化上趋于保守，过多的变异积累可能会导致互惠共生关系的失衡。研究人员收集到37个在番茄中控制果实发育的同源基因，并发现其中7个同源基因在对叶榕群体中受到纯化选择。这些基因包括三个生长素信号相关基因（ARF7、ARF8和TIR1），两个ABA合成相关基因（NCED和FLACCA），一个初级代谢基因（SuSy）和一个细胞周期控制基因（CDKA）。相应的，研究人员还发现相当比例（22.5%, 14/62）的hippo信号通路基因在榕小蜂中受到纯化选择。而hippo通路可以通过调控细胞增殖和凋亡影响昆虫体型大小。另外，榕树-榕小蜂专性传粉关系维持的核心机制在于榕树通过雌花期榕果释放特异的挥发物质吸引专一性传粉者，而传粉小蜂通过嗅觉受体以及神经网络调控识别这种挥发信号。基于在中国西南地区同域分布的聚果榕亚属的全部14种榕树及其对应的主要专性传粉榕小蜂的重测序数据，研究人员以聚果榕亚属为材料，通过挥发物分析和电生理实验鉴定到该亚属中三种代表榕树吸引对应的专性传粉小蜂的活性气味成分均具有物种特异性，它们都属于1）经由甲羟戊酸途径合成的多种倍半萜组分和2）由莽草酸通路合成的4-甲基苯甲醚。基于聚果榕亚属的群体分析显示，五个甲羟戊酸途径（IPP2, AACT1, BAP1, HMG1和iso-dip异构酶）和四个莽草酸通路相关基因（DAHP, 3-脱氢硫胺素脱水酶和两个莽草酸激酶）受到纯化选择。与之对应，榕小蜂中存在多个嗅觉感应相关基因（五个OR，一个CSP和一个IR）受到强烈的选择性清除压力。以上结果首次在基因组水平上揭示了榕树-榕小蜂在形态和生理方面的协同演化对双方类群的协同多样化的重要影响。

该研究由福建农林大学、中科院西双版纳热带植物园、台湾大学、华东师范大学和美国伊利诺伊大学香槟分校多家单位协作完成。福建农林大学的张兴坦副教授和中科院版纳热带植物园王刚副研究员为共同第一作者，明瑞光教授和中国科学院西双版纳热带植物园陈进研究员为共同通讯作者。福建农林大学张积森、唐海宝教授，马晓开、林继山、赵丽华博士，科研助理张晟铖、林京、徐秀明、邓芳，研究生陈帅、王毅斌、石岩、齐睿、杨杨、廖振阳、陈学群、徐鑫丹，中科院版纳植物园文平博士，华东师范大学陈小勇教授、王嵘副教授，台湾大学林彦蓉教授、研究生李沂伦参与了本项研究。该研究得到了国家自然科学基金委和中国科学院相关经费的资助。

参考文献

1. Berg, C. C. Classification and distribution of Ficus. Experientia 45, 605–611 (1989).

2. Kislev, M. E., Hartmann, A. & Bar-Yosef, O. Early Domesticated Fig in the Jordan Valley. Science 312, 1372–1374 (2006).

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31240-X