首页 > 分享 > Cell Reports

Cell Reports

花匠小妙招
2024-10-06 14:33

在漫长的生物进化历史中，一些类群的衰落或灭绝总是伴随着一些新类群的起源和物种多样化。为什么有些类群能形成大量的物种、适应多样的生境并在全球广泛分布？其环境适应性的分子机制是什么？杜鹃花属（Rhododendron）为探讨这些问题提供了一个理想的研究体系。该属包含逾千个物种，广泛分布于北半球和马来群岛，展现出对不同生境和海拔（0-5800 m）的高度适应性，且具有高度的花色多样性，是研究植物适应性进化的理想材料。

图1 | 杜鹃花属植物基因组的进化历史

该研究对杜鹃花属9个物种进行了高质量的基因组测序、组装和综合基因组分析，样品涵盖了该属所有5个亚属及其多样的花色类型，并代表了高山、亚高山和低山生境。比较基因组分析结果表明，杜鹃花属物种的基因组大小与系统发育关系具有相关性，反映出明显的系统发育信号；基于基因的泛基因组构建和相关基因表达分析，结合基因拷贝数变异（gCNVs）分析及数千个抗性基因的基因捕获（图1），发现杜鹃花属植物的私有基因家族占比高达12.8%，这些基因可能在适应亚高山和高山生境中发挥重要作用（图2），例如，分布海拔最高、源于喜马拉雅-横断山区的雪层杜鹃（R. nivale）和分布于东北亚高山苔原带的叶状苞杜鹃（R. redowskianum）中的私有基因显著富集于植物病原体相互作用和脂肪酸代谢途径。

图2 | 杜鹃花属植物泛基因集分析

该研究还揭示了不同生境中抗性基因的变化：在温暖湿润的亚高山森林中，火红杜鹃（R. neriiflorum）的抗性基因大幅扩张，而在高山草甸或苔原中，雪层杜鹃和叶状苞杜鹃则表现出抗性基因的明显收缩。这一现象反映了植物对特定病原体的适应性变化，以及高海拔环境中低温和强紫外线辐射对抗性基因的影响。尤为重要的是，在高海拔环境中，雪层杜鹃和叶状苞杜鹃在基因组上发生了趋同进化。尽管这两个物种分布于完全不同的区域，分属不同的亚属，但在氧化磷酸化基因家族的扩张和植物病原体相互作用基因家族的收缩上呈现出相似的进化模式。为进一步揭示高海拔适应的基因组变异模式，该研究还对雪层杜鹃（3200-5800 m）进行了覆盖物种分布区的群体取样和全基因组重测序，发现很多与高海拔适应相关的重要基因显示出非同义变异和显著的分化（图3）。

图3 | 雪层杜鹃的群体基因组及种群动态分析

同时，该研究还综合运用代谢组学、转录组学和基因组学等多学科方法，鉴定了杜鹃花属不同物种中参与花青素和类胡萝卜素生物合成的基因，研究了其花瓣颜色的关键调控基因的进化和功能，解析了F3′5′H、DFR和UFGT等基因在花青素合成中的重要作用（图4）。

图4 | 杜鹃花属植物花色多样性及其形成机制分析

结果表明，这些关键基因的表达差异直接影响了花瓣中不同类型花青素的积累。特别是，通过农杆菌介导的本氏烟草瞬时表达实验，验证了结构基因ANS在提高花青素水平中的活跃性。在白色花的照山白（R. micranthum）中，UFGT基因在促进花青素合成方面的效率显著高于黄色花的羊踯躅（R. molle），且羊踯躅中UFGT基因表达的缺失与其花瓣中花青素苷的稀缺密切相关，而照山白中的DFR基因表达较低与其花瓣中花青素的积累不足显著相关。此外，该研究还探讨了花色多样性在环境适应中的重要作用。

该研究通过多学科方法的整合分析揭示了杜鹃花属植物适应不同生境的机制以及花色多样性形成的机理，为世界性植物大属的适应性进化研究提供了一个典型例证，并对理解植物的地理分布格局具有重要意义。

该研究成果于2024年9月18日正式发表在国际学术期刊Cell Reports上。植物所博士后夏小梅、河北大学杜会龙教授及宁波大学胡晓笛为论文共同第一作者，植物所汪小全研究员和中国科学院遗传与发育生物学研究所梁承志研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金和中国科学院特别研究助理资助项目的支持。

Xia, X.-M., Du, H.-L., Hu, X.-D., Wang, Q., Liang, C., Wang, X.-Q., Wu, J.-J., Yang, F.-S., Li, C.-L., & Huang, S.-X. (n.d.). Genomic insights into adaptive evolution of the species-rich cosmopolitan plant genus Rhododendron. Cell Reports. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.114745

Genomic features of nine species of Rhododendron

Gene CNVs and their associations with environmental adaptation

Received

October 6, 2023

Revised

July 17, 2024

Accepted

August 28, 2024

Published online

September 18, 2024

汪小全研究员

现任中国科学院植物研究所研究员、博士生导师、所长，中国植物学会副理事长兼秘书长，Molecular Phylogenetics and Evolution副主编以及Journal of Systematics and Evolution等刊物编委。主要从事植物进化生物学、生物地理学和分子生态学研究，主持国家重点研发计划项目等。

近年来在裸子植物的亲缘关系、进化与生物地理学及青藏高原植物物种分化和谱系生物地理学等研究方面取得了重要成果。迄今发表论文80余篇，其中40余篇(第一或通讯作者)在Cell Reports、Mol. Biol. Evol.、Proc. R. Soc. B.、Mol. Ecol.、Mol. Phylogenet. Evol.、J. Biogeogr.、J. Mol. Evol.、Ann. Bot.等进化生物学和生态学领域的国际主流杂志上。1997年获中国科学院院长奖学金特别奖，1999年获首届全国优秀博士论文奖，2004年获国家杰出青年科学基金，2006年被评为中国科学院研究生院优秀教师，2009年入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选。已培养博士20余名，其中多位获中国科学院院长奖优秀奖等。

梁承志研究员

2012年2月起，任中科院遗传发育所研究员，入选中科院“引进杰出技术人才”计划，现担任研究所科学数据中心主任。

主要研究领域

1. 基因组组装和泛基因组构建。结合最新的单分子测序技术、BioNano单分子图谱、Hi-C测序等，完成高质量基因组的组装，或进一步构建泛基因组。已完成水稻、小麦、大豆、苦荞、金鱼草、高粱、番茄等大量基因组组装，并构建了大豆和水稻两个物种的高质量泛基因组。

2. 比较基因组和群体基因组分析。对水稻、小麦、苦荞、金鱼草等多个物种进行了比较基因组分析，发现了各个物种在进化上的一些关键特征的相关基因组基础，比如小麦基因组的快速变异导致的基因丢失、苦荞和金鱼草的全基因组复制后产生的对环境适应能力的增强或关键性状的演化。通过对中国主栽水稻品种的大规模群体基因组分析和GWAS，发现一些当前水稻育种中有利等位基因在不同群体间的渗入和利用特点。

3. 生物信息软件和数据库开发。在基因组组装方面，开发了一个基于单分子长片段测序的组装基因组复杂区域的软件HERA，在已有软件的基础上大大提高了基因组的组装质量，也提高了分离高杂合二倍体基因组的能力。在基因注释方面对Gramene-pipeline进行了改进。在数据库建设方面，构建了一个包括多个参考基因组、基因组注释和群体遗传多态信息，应用于功能基因组研究和分子育种的知识库MBKbase。对于每个物种，泛基因组将是这个数据库的一个重要组成部分。