本次分享的文献是发表在Nature plant上的一篇文献，题目是 "Genomes of early-diverging streptophyte algae shed light on plant terrestrialization"。

越来越多的证据表明，植物的陆地化始于轮藻门，这是由于它们在淡水和陆地环境中的双重存在而受到青睐。这篇文章，报道了两个链型植物门（Streptophyta）最早分化出的轮藻基因组，揭示了绿色植物起源和演化的关键节点，并解释了10亿年前，早期陆地植物在登陆过程中，如何逐步适应陆地环境的分子机制。

植物由水生过渡到陆地环境，称为陆地化，通常被认为是陆地植物区系进化和多样化的关键事件。现存的绿色植物（Viridiplantae）可细分为两个谱系，绿藻门（Chlorophyta，包括大多数绿藻）和链型植物门（Streptophyta，包括有胚植物和近缘的藻类-轮藻门）。大约15亿年前的海洋，一些真核生物吞噬光合蓝细菌，形成了红藻、灰胞藻和绿藻，第一次形成了能进行光合作用的真核生物，这次事件被称作第一次内共生事件。而在距今10亿年前，绿藻进行了一次分化，一部分形成了主要生活在海洋的绿藻门分支，另一部分形成了主要生活在淡水的轮藻门分支。轮藻适应了淡水的环境，完成了从海洋到淡水的过渡，这一次进化事件犹如黎明的一道光，照亮了绿色植物陆地化的过程。从此绿色植物开始了从简单到复杂、单细胞生物到多细胞生物、水生到陆生的漫长而复杂的陆地化过程。

这项研究通过对Mesostigma viride (CCAC 1140) 和Chlorokybus atmophyticus (CCAC 0220)两个轮藻基因组进行测序分析，解决了两个植物陆地化很重要的问题：（1）链型植物的共同祖先是否已经表现出与有胚植物基因组相似的特征，这将指示适应陆生环境；（2）这两个物种都属于链型植物基部物种，一个在水生（淡水）环境中生长（M.viride），一个在陆地环境中生长（C. atmophyticus）。两种不同生长环境（水生/陆生）导致这两个基因组有何区别。

结果

1.基因组分析

该研究通过对Mesostigma viride (CCAC 1140) 和Chlorokybus atmophyticus (CCAC 0220)两个轮藻基因组测序分析，解决了两个植物陆地化很重要的问题：（1）链球菌的共同祖先是否已经表现出类似胚状体的基因组特征，这将指示适应陆生环境；（2）根据先前对两种不同环境（陆上和水生）中生长属于不同链藻纲（Klebsormidiophyceae和Charophyceae轮藻科）。通过Illumina 测序分别获得了245Gb（M. viride）和66Gb（C. atmophyticus）的原始测序数据。通过系统发育分析，基于375个直系同源单拷贝基因构建了16个基因组的系统发育树，确定了Mesostigma and Chlorokybus 的姊妹关系。

图1

通过比较基因组学分析，发现Mesostigma viride, C. atmophyticus and K. nitens 共享3,683个基因家族，与红藻C. merolae共享2,000–2,500 gene families，与绿藻M. commoda 共享3,300–4,100基因家族（图2c，通过比较物种共有的基因家族数目，可以反应其系统发育关系）。此外，发现相对于红藻，链藻类和绿藻之间基因家族的显著增加和减少更为温和：链藻类中基因家族的主要增加是植物激素信号转导、植物-病原体相互作用和转录因子，而基因家族的减少主要是嘌呤和嘧啶代谢，DNA复制与O-glycan生物合成（图2d）。此外，通过orthofinder的分类，作者统计了14个物种中蛋白分别来自于有胚植物共有、藻类共有或有胚植物和藻类共有蛋白的百分比，发现这两个物种（M. viride and C. atmophyticus）有胚植物同源基因占比相对于绿藻门较高（图2e），并且通过pfam总数的主成分分析也发现从红藻门到绿藻门到链藻类，显示出明显的功能/进化多样性（图2f）。这些结果表明，早期分化的轮藻基因组中已经含有典型存在于现代有胚植物中的原型基因。此外，为了更好的适应陆地环境，在早期轮藻阶段，与水生环境相关的器官-鞭毛已经开始退化（图2b）。

图2

2.转录因子和植物激素

在两个基因组中分别鉴定到了72个(M. viride)和80个(C. atmophyticus)转录因子，大多数在有胚植物与响应生物和非生物胁迫息息相关，说明早期的轮藻基因组进化出了一系列新的与环境适应相关的转录因子，如HD-Zip, HD_PLINC, GRF, LUG, SRS, Trihelix, HD_KNOX1，这些转录因子与环境压力适应，生长和发育的调控有关。尽管早期轮藻中仅发现细胞分裂素信号通路是完整的，但是其他激素通路也进化出了非常重要的信号通路元件比如PIN，ARF 和TGA等。

图3

3.细胞壁代谢分析

为了适应快速变化的环境, 早期的轮藻积极开展重新组装，降解细胞壁组件增强细胞壁对渗透压力的灵活性。通过比较基因组学，作者发现两个物种分别含有81（M. viride）和100（C. atmophyticus）个碳水化合物活性酶（carbohydrate-active enzymes，CAZymes)；并且后者的糖基水解酶（lycosyl hydrolases，GH）和糖基转移酶（glycosyltransferases，GT）的数目均高于前者。为了进一步了解参与细胞壁生物合成的蛋白质的进化，我们分析了代表性酶的系统发育。发现M. viride含有cellulose synthase-like (CSL) enzymes (CSLA/CSLC-like)但不存在植物类型的纤维素合酶（cellulose synthase，CESA）;而C. atmophyticus含有纤维素合酶（CESA/CSLD-like）与有胚植物高度一致，表明其含有植物类型纤维素的代谢，进一步证明了早期轮藻为了适应陆地环境，已经开始改变细胞壁的成分。

图4

总结

通过链型植物早期的两个基因组（M. viride 和 C. atmophyticus）比较分析，可以得出两个结论： 1.这两个基因组的共同祖先已经进化出了适应陆地环境的特征，如光敏色素、逆境响应转录因子的进化、植物特有纤维素合酶的进化、以及胁迫响应激素的传导，表明轮藻可能在有胚植物出现之前就已经生活在陆地上。 2.这两个基因组的大小、结构等存在显著差异，可能是为了对不同环境的适应。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-019-0560-3#Sec1

借鉴

这篇文章大片段orthofinder和hmmer等分析，不似平时直接ortho分析后建树，他对ortho结果中基因家族的数目深入分析，来分析进化过程中基因家族中基因数目的获得和减少。
1.参考比较基因组分析：orthofinder（选代表性物种）分单拷贝基因家族、并联法建树（mafft多序列比对、去gap50%、ML基因树、astral将多基因树并联法构建物种树）、itol编辑和展示最后的树、以及韦恩图统计共有家族数目等
2.分析基因家族中基因数目的增加或减少（将一个OGs的基因数目由大到小排列，看有胚植物中值/轮藻的中值>5 或<0来判断增加或减少；如果有胚植物大于0 藻类=0则判定为有胚植物基因，都大于0共有基因）