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植物所科研人员在马兜铃基因组解析和被子植物进化研究中取得重要进展

  被子植物分为四大核心分支,即ANA被子植物基部类群、木兰类植物、单子叶植物和真双子叶植物。马兜铃属(Aristolochia)是木兰类植物,该属的植物具有极强欺骗性的“诱捕—囚禁—释放”传粉系统,独特的花形态是引诱传粉者的重要“诱饵”,同时还具有备受争议的药用价值。马兜铃属植物因此备受争议和关注,鉴于马兜铃属植物的进化位置,对于马兜铃属植物基因组的解析就十分重要。 

  针对上述问题,中科院植物研究所焦远年研究组利用Nanopore、Bionano光学图谱和Hi-C等测序技术,对流苏马兜铃(Aristolochia fimbriata)进行了基因组测序和组装,获得了高质量的参考基因组,注释到了21,751个蛋白编码基因。研究人员通过基因组进化分析,发现流苏马兜铃自现存被子植物起源后未经历过全基因组加倍事件,是目前发现的、除ANA基部的无油樟(Amborella trichopoda)外第二个未经历过全基因组加倍的测序物种。它也因独特的基因组进化历史成为比较基因组学研究的一个重要对象,为解析其他被子植物基因组的进化及被子植物祖先基因组特征等提供了重要参考。 

  前期大量基于序列的研究,一直都难以获得高可信度的系统发育关系。该研究通过对被子植物主要类群的代表物种进行基因组结构比较,发现木兰类植物和单子叶植物共享了一次染色体易位事件,而真双子叶植物则缺失了这一演化的特征,研究结果支持了木兰类植物和单子叶植物可能互为姐妹群,而双子叶植物在二者分化之前已经形成的观点。 

  该研究还进一步挖掘了马兜铃花发育和次生代谢产物合成相关的遗传基础。通过基因组及转录组等的整合分析,发现花发育相关的同源基因冗余度极低,且多数基因的序列、结构和表达模式均较为保守,流苏马兜铃花特化的形成可能与相关基因特定的表达模式及其下游调控网络的变化有关。另外,该研究还分析了萜类和马兜铃酸等次生代谢产物合成相关的遗传基础,并构建了AA I的合成通路,为后续相关基因的功能研究奠定了基础。鉴于流苏马兜铃基因组冗余度极低,还具有生长周期短、易于大规模种植和基因组小等特征,它有被发展为木兰类模式植物的潜力,用于花发育、发育遗传学及次生代谢产物合成等方面的研究。 

  该成果于9月2日在线发表于国际学术期刊Nature Plants上。植物所博士研究生秦刘玉、胡昳恒、王金朋、王晓亮和助理研究员赵然为该论文的共同第一作者,焦远年研究员为通讯作者。植物所孔宏智研究员以及国外Claude dePamphilis,Douglas Soltis,Pamela Soltis,James Leebens-Mack,John Bowers,Stefan Wanke教授参与了该项工作。该研究得到了中国科学院战略性先导项目和王宽诚教育基金会的资助。 

  文章链接:https://www.nature.com/articles/s41477-021-00990-2 

  (进化实验室供稿)

 

流苏马兜铃的形态和基因组特征

染色体结构变异推测木兰类植物、单子叶植物和双子叶植物的系统发育关系

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