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NP | 澳洲西悉尼大学陈仲华教授团队联合浙江省农科院、浙大、美国佛罗里达大学等多家单位破译模式蕨类植物水蕨基因组

花匠小妙招
2025-01-16 10:01

澳洲西悉尼大学 陈仲华教授团队联合浙江省农业科学院公共实验室 徐盛春研究员团队、美国佛罗里达大学 Douglas Soltis院士、Pamela Soltis院士等科学家、28个科研机构，历时7年完成了模式蕨类水蕨（Ceratopteris richardii）基因组的破译工作，于2022年9月1日在国际著名期刊Nature Plants发表了题为“Dynamic genome evolution in a model fern”的研究论文。该研究成果填补了水龙骨目（Polypodiales）植物基因组的空白，为研究植物进化提供了重要参考基因组，揭示了水蕨基因组结构特征，拓展了水蕨作为模式植物在基础研究和植物生物学教学领域的应用。

蕨类植物是仅次于被子植物的第二大维管植物类群，是所有种子植物的近亲。蕨类植物具有许多特性，如抗虫性强、耐荫、重金属超积累等。蕨类植物具有基因组大、染色体数目多的特点，目前已知最大的蕨类植物基因组可达142.4Gb，染色体数目最多可达720对，这为蕨类植物的全基因组测序、拼接和注释造成了极大的困难。该研究利用PacBio、Illumina、Hi-C等测序手段，并对前期构建的群体材料进行重测序，组装了水蕨7.46Gb大小的基因组，分别挂载到39条染色体上，重复序列含量高达85.2%（图1），共注释到36857个高信度的蛋白编码基因，WGD分析共鉴定到两次全基因组加倍事件，导致大量重复序列的产生。

图1水蕨生命周期形态及基因组特征

植物由孢子繁殖向种子繁殖模式转变的进化机制一直是一个亟待解决的科学问题。转录组学研究显示，同型孢子植物水蕨仅有346个基因在减数分裂组织（可育叶和孢子囊）中特异表达，而超过30000个基因在所有组织中均有表达，以开花基因FT (FLOWERING LOCUS T)为例，在水蕨基因组中鉴定到10个FT同源基因，构建系统发育树后发现，其中9个成员所在的亚类无被子植物成员，而另一个同源基因与拟南芥AtMFT位于同一分类，且这10个同源基因在水蕨可育叶和孢子囊中高度表达（图2），部分成员在所有组织中均有表达，这表明叶片和种子发育相关基因来自孢子囊发育网络，开花基因早期的功能应与蕨类植物孢子发育有关。

图2组织特异性转录组分析及植物繁殖和结构相关基因进化分析

此外，比较基因组学分析发现，水蕨基因组通过多次水平基因转移获得抗虫基因（Tma12）和气溶素蛋白基因(aerolysin-like protein)，且在不同组织中显著差异表达，表明其在生物胁迫条件下具有重要的防御功能；代谢组学研究发现水蕨富含人类疾病治疗所需的药用成分，如香豆酸类、阿魏酸类和咖啡酸类物质等，并鉴定到131种特异的未知化合物，有助于深入挖掘其药用价值。除科学研究外，水蕨已作为模式植物应用于生物学教学，演示孢子植物世代交替的过程。水蕨基因组的公布将为水蕨功能基因研究、植物生物学研究和基因组进化研究等方面提供重要资源。

该研究由斯坦福大学、浙江省农业科学院、长江大学、浙江大学、西悉尼大学、佛罗里达大学等29个机构50位科学家联合完成。澳洲西悉尼大学 陈仲华教授、美国佛罗里达大学 Douglas Soltis院士、PamelaSoltis院士、美国能源部联合基因组研究所学者Jeremy Schmutz、美国哈德逊阿尔法生物技术研究所Jane Grimwood博士、美国佐治亚大学James H. Leebens-Mack教授为该论文的共同通讯作者，美国斯坦福大学博士后D. Blaine Marchant、浙江省农业科学院公共实验室 陈光副研究员、浙江大学作物科学研究所副教授为该论文共同第一作者。

该研究受国家自然科学基金委、美国国家科学基金会、国家农业产业体系和澳大利亚研究委员会等机构基金支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-022-01226-7

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