福建农林大学兰思仁/刘仲健组完成二倍体和四倍体菖蒲物种基因组测序揭示单子叶植物进化的分子机制

单子叶植物超过85,000种，占世界植物物种的21%，是陆生植物物种最丰富、生态和经济价值最重要的谱系之一。单子叶植物以其特殊的形态特征而闻名，以极其丰富的陆生生长方式占领各种栖息地，以谷物或粮食作物（如水稻、小麦和玉米）的形式直接或间接地提供了人类食物的基本来源。因此，了解单子叶植物的形态进化、地理多样性和生态适应的起源和模式，是植物和进化生物学家感兴趣研究的问题。

2023年6月20日，Nature Communications发表了福建农林大学兰思仁/刘仲健团队与合作者的题为“Diploid and tetraploid genomes of Acorus and the evolution of monocots”的研究论文。该研究论文完成了二倍体的金钱蒲（Ac. gramineus）和异源四倍体的菖蒲（Ac. calamus）的全基因组染色体水平测序。通过比较菖蒲属和其他被子植物的基因组，特别是其他单子叶植物的基因组，揭示了菖蒲属植物的起源和进化，重建了单子叶植物祖先基因工具包，为单子叶植物的起源、进化和多样性形成的分子机制提供了见解。

基于形态学和分子数据，单子叶植物可分为77科12目。单子叶植物区别于其他被子植物，是它们胚中只有一个子叶，茎的维管束呈星状散射，只有初生韧皮部而没有形成层和次生木质部。菖蒲目与其他所有单子叶植物呈姐妹关系，只有一科，菖蒲科（Acoraceae），一属，菖蒲属（Acorus）。由于其独特的系统发育地位，与其他被子植物进行比较分析，可以揭示单子叶植物的起源和进化过程中的关键性状创新的分子机制，如维管束形成层、次生木质部和子叶发育等。此外，菖蒲属物种有着复杂的进化史。虽然被认可的只有两个或三个种，但曾被认为有四到五个种和许多变种。两种被认为的种——金钱蒲和菖蒲，分布于温带、热带、亚热带、亚洲和北美的潮湿地区。

图1. 自然生境中的菖蒲和金钱蒲。a. 生长在湿地上的菖蒲。b.开花时期的菖蒲。c.开花时期的金钱蒲。d. 生长在岩石上的金钱蒲。

金钱蒲为二倍体 2n = 2x = 24，菖蒲为四倍体2n=4x=44。研究发现AB型的K-mer对金线菖蒲的比例高达60%，表明它是一个二倍体，其基因组大小为409.66 Mb。菖蒲的AABB型K-mer对的比例较高（43% AABB型/23% AAAB型），表明菖蒲为异源四倍体，两个亚基因组的大小为348.65 Mb。研究发现72.18%的BUSCO基因在菖蒲基因组中发生了“重复”，而二倍体金钱蒲的基因组重复的BUSCO基因含量只有6.07%。BUSCO评估表明两种菖蒲基因组组装在基因空间上几乎没有空隙。基于Hi-C数据的金钱蒲和菖蒲基因组的组装质量非常高，金钱蒲12条染色体的长度为13.73 Mb－32.55 Mb，N50值为24.59 Mb。根据K-mer序列对菖蒲22条染色体进行了聚类，成功地将这些染色体聚类到两个亚基因组中，亚基因组A有10条染色体而亚基因组B有12条。菖蒲亚基因组A大小为323.33 Mb，10条染色体Hi-C组装的长度在21.69 Mb－45.83 Mb之间，N50值为29.86 Mb。菖蒲亚基因组B大小为360.99 Mb，12条染色体的组装长度为24.30 Mb－33.96 Mb，N50值为29.84 Mb。

图2. 异源四倍体菖蒲基因组的Hi-C组装及亚基因组组装

金钱蒲基因数量为25,090，而菖蒲基因组A有基因21,743，亚基因组B24,322，它的基因较少，认为它们异源多倍化基因发生了丢失。菖蒲属物种基因祖先在41.7 Mya发生了自身的全基因组复制事件（WGD）而没有与其他单子叶植物分享过WGD，在9.9 Mya分化金钱蒲和菖蒲A与菖蒲B的共同祖先。在8.8 Mya时分化出菖蒲A和菖蒲B。研究发现金钱蒲和菖蒲祖先染色体数目为10，由于它们经历了自身的WGD，从而推断出古老的单子叶植物的染色体基数为5，而金钱蒲和菖蒲B经历了染色体分裂事件导致它们染色体数目为12。菖蒲A和B融合形成了异源四倍体，导致菖蒲具有22条染色体。

图3. 菖蒲属全基因组复制事件分析（详细请见原文）

图4. 单子叶植物的核型进化（详细请见原文）

该研究呈现了单子叶植物进化的古多倍体事件：1）τ WGD，大多数单子叶植物共享，发生于约120 Mya；2）σ WGD，所有禾本目植物共享，约发生于110 Mya；3）两个连续WGDs，SPα和SPβ导致浮萍（Lemna minor）的出现，这两个WGD约在95 Mya几乎连续发生；4）ρ WGD，所有禾本科植物共享，发生在70 Mya；5）兰花WGD，所有现存兰科植物共享，发生在74 Mya；6）菖蒲目WGD，发生在41.7 Mya。上述单子叶植物的所有古WGD发生时间都比菖蒲目和其他单子叶植物分化的时间要晚，它们约分化于140 Mya前，表明没有WGD事件发生于比菖蒲目分化时间更早。而两个菖蒲基因组与无油樟（Amborella trichopoda）基因组进行共线性分析，结果显示它们也没有共同经历过WGD，支持菖蒲目拥有自身独有的WGD。

图5. 19个物种的分化时间和基因家族大小演化的系统发育树

该研究比较了金钱蒲和菖蒲的两个亚基因组之间的共线性，推断出它们共同祖先的核型。鉴于菖蒲A和B亚基因组与现存的金钱蒲基因组共线性非常低，认为菖蒲的两个基因组祖先不是来自金钱蒲而是另外两个不同的二倍体的祖先。这些祖先可能是一个相对古老的谱系中灭绝的二倍体。分析菖蒲的两个亚基因组中转座子（TEs）分化率，估计出异源多倍体事件即杂交事件发生时间，认为它们的两个祖先分化于8.5 Mya之前，而在1.3 Mya发生杂交而形成了现在异源四倍体的菖蒲。进一步分析表明亚基因组B丢失的基因较少，经过了较强的纯化选择，启动子区基因表达增加，CG甲基化水平降低，结果表明菖蒲亚基因组B具有优势，从而揭示了异源四倍体菖蒲的基因组呈现出不对称的进化。尽管如此，不同表达的同源基因具有不同功能，两个亚基因组呈现出功能互补的态势。

图6. 菖蒲同源表达偏好的异源四倍体化时间和DNA甲基化（详细请见原文）。

由于菖蒲是其他单子叶植物的姐妹类群，花器官有6个花被片和雄蕊，呈两轮排列。金钱蒲和菖蒲分别有90个MADS-box基因。菖蒲的亚基因组A和B各有45个，四倍体菖蒲与二倍体金钱蒲具有相同数量的MADS-box基因。ABCDE基因的表达模式与水稻相似，B类基因主要表达在第二轮和第三轮，C类基因主要表达在第三轮和中央轮，E类基因在所有花轮中都表达。菖蒲物种MADS-box基因表达模式揭示了单子叶植物花发育的基本蓝图。

次生木质部，被认为在被子植物中已多次获得和缺失，但在所有单子叶植物的共同祖先中均已缺失。没有维管形成层的植物，如莲（Nelumbo nucifera），和单子叶植物参与维管形成层形成的基因，OBP1、TMO5、REVOLUTA、MOL1和PEAR1基因发生了丢失。与其他被子植物相比，单子叶植物进一步丢失了BEN1和BDL基因。拟南芥（Arabidopsis thaliana）和杨树（Populus）保留了CLE41/44、CEV1、PRR1、AIL6/7，它们参与了维管形成层和次生细胞壁的形成。与莲类似，单子叶植物失去了与维管形成层发育相关的基因，这是它们在茎中具有分散的维管束的原因。

根据子叶的数量，被子植物中胚只有一个子叶称为单子叶植物，有两个子叶则为双子叶植物。在双子叶植物中，幼苗的地上部分表现出两侧对称，其中有两个对称位置的子叶，它们之间有茎尖分生组织（SAM）。PIN1和PID基因的扩增和CUC基因的收缩特异性地影响SAM的形成，导致单子叶植物SAM发生的位点出现异常的结构而形成了一个子叶。

研究发现，除SAG101外，两种菖蒲都失去了免疫信号复合物中的所有成分，这与其他水生单子叶植物和真双子叶植物相似。SL生物合成基因在根中表达量不高的原因可能是SL刺激了两种共生体的早期共生反应，结果揭示了菖蒲和单子叶植物适应湿生环境的分子机制。

以上研究结果表明在单子叶进化的早期，菖蒲物种已经表现出许多与单子叶植物花发育和子叶进化、维管形成层、次生木质部发育、对湿地环境的适应相关的基因组特征，为单子叶植物的起源、进化和多样化提供了基本的解释。

福建农林大学马良博士、清华大学刘可为博士，比利时根特大学李臻博士，广西大学博士生齐浥颖，中国台湾成功大学萧郁芸博士和华大基因科技有限公司傅涛为论文共同第一作者。福建农林大学兰思仁教授、刘仲健教授、广西大学张积森教授、比利时根特大学Yves Van de Peer教授和中国台湾成功大学蔡文杰教授为论文共同通讯作者。福建农林大学彭东辉教授、韶关学院（华南农业大学）唐光大副教授以及武汉大众生物科技有限公司王志文团队参与相关研究。该研究受到了福建农林大学林学高峰学科建设项目（72202200205）、国家自然基金面上项目（no. 31700618）、兰科植物保育与利用国家林草局重点实验室基金（115/118990050; 115/KJG18016A）和国家重点研发计划项目（2019YFD1000400）等资助。

来源：福建农林大学

编辑：黄灵箫

审核：王晓锋