(相關(guān)資料圖)

人民網(wǎng)北京7月15日電 （記者俞懿春）中法兩國(guó)研究人員日前公布了單子葉植物最早期分支菖蒲目中的重要水生藥用植物石菖蒲（Acorus tatarinowii）的基因組。相關(guān)研究初步揭示了單子葉植物祖先早期基因組演化過(guò)程和規(guī)律，為理解包括禾本科在內(nèi)的單子葉植物輻射進(jìn)化過(guò)程奠定了重要基礎(chǔ)。上述重要成果由中國(guó)科學(xué)院武漢植物園王青鋒、陳進(jìn)明團(tuán)隊(duì)與法國(guó)國(guó)家農(nóng)業(yè)食品與環(huán)境研究院合作完成，7月14日在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際植物學(xué)權(quán)威期刊《自然·植物》。

單子葉植物是開(kāi)花植物（被子植物）重要的分支之一，約占被子植物物種多樣性的21%，包含了香蕉、蘆筍、椰子等重要的園藝作物和水稻、小麥、玉米等大宗糧食作物。根據(jù)大規(guī)模取樣的分類(lèi)學(xué)和分子系統(tǒng)發(fā)育研究顯示，菖蒲目（Acorales）是單子葉植物中現(xiàn)存的最早分支類(lèi)群，與其它所有單子葉植物互為姐妹類(lèi)群，類(lèi)似于被子植物早期分支的無(wú)油樟和真雙子葉植物早期分支的毛茛目的系統(tǒng)發(fā)育地位，菖蒲目物種是探討和揭示單子葉植物早期演化過(guò)程的重要材料。

中法兩國(guó)研究人員利用PacBio和Hi-C技術(shù)完成了石菖蒲全基因組測(cè)序和染色體水平的組裝。通過(guò)與其他單子葉植物的全基因組比較分析發(fā)現(xiàn)，石菖蒲僅經(jīng)歷過(guò)1次獨(dú)立的古多倍化事件并伴隨有亞基因組優(yōu)勢(shì)效應(yīng)（subgenome dominance），除石菖蒲和海生植物大葉藻外，其它單子葉植物都發(fā)生過(guò)2次或2次以上的基因組加倍（圖1）。在研究涉及的單子葉植物中，石菖蒲基因組結(jié)構(gòu)演化（基因在染色體上的線(xiàn)性排序/共線(xiàn)性）和氨基酸序列替換速率均表現(xiàn)最為緩慢和保守。進(jìn)一步的相關(guān)性分析還發(fā)現(xiàn)，各物種基因組共線(xiàn)性結(jié)構(gòu)的相對(duì)保守性與其序列替換速率和基因組加倍次數(shù)顯著相關(guān)，這可能是石菖蒲基因組結(jié)構(gòu)演化相對(duì)較慢的原因。代表性單子葉植物基因組結(jié)構(gòu)與外類(lèi)群（蓮）的比較分析表明，基因上下游區(qū)域的甲基化程度、基因表達(dá)的組織特異性等可能是約束基因組結(jié)構(gòu)演化的重要因素。

圖1 單子葉植物祖先核型（AMK）與早期分支的單子葉植物共線(xiàn)性比較與全基因組復(fù)制次數(shù)（Ata: 石菖蒲）

研究還發(fā)現(xiàn)，與石菖蒲等早期分支的類(lèi)群相比，禾本科植物（如水稻）歷史上經(jīng)歷過(guò)更多次的融合、分裂等染色體重排事件。在基因家族演化方面，該項(xiàng)研究揭示了與單子葉植物早期形態(tài)演化和適應(yīng)濕地或水生生境（如平行葉脈和初生根的退化、低水平的無(wú)機(jī)磷酸鹽的水生環(huán)境）相關(guān)的重要功能基因家族演化事件。例如在擬南芥中DOT3（DEFECTIVELY ORGANIZED TRIBUTARIES 3）基因已被證實(shí)其功能缺失會(huì)導(dǎo)致幼苗和初生根生長(zhǎng)方面存在缺陷，并在幼葉中產(chǎn)生異常的平行脈紋，DOT3在單子葉植物和水生睡蓮目植物（睡蓮、芡實(shí)）中都發(fā)生了丟失，可能與這兩個(gè)類(lèi)群的平行/掌狀葉脈和初生根（主根）退化等特殊性狀相關(guān)。