一、研究背景
全世界范围分布超过35万余种的种子植物，包含银杏类、苏铁类、松柏类、买麻藤类和被子植物五大类，买麻藤 Gnetum montanum 是现存裸子植物中唯一的藤本植物，具有被子植物相关特性，系统进化地位特殊，不同假说层出不穷，迄今仍未有定论，号称百年之争。诺禾致源和仙湖植物园针对4.2G的高杂合、高重复基因组升级了基因组组装软件，成功绘制了第一个买麻藤高质量的基因组精细图谱。同时与其他已经发表的被子植物和裸子植物基因组进行基因组学比较分析，为人类重新理解早期种子植物演化及适应历史提供新的视角。
本研究以G.montanum为研究对象，通过构建不同类型的文库(180bp, 300bp, 500bp, 2k, 5k, 10k 和10-20k)，基于Illumina Hiseq测序平台进行测序，从基因组学、比较基因组学、转录组学等角度揭示了买麻藤的独特性。
二、研究内容
1、基因组组装和注释
买麻藤的基因组大小流式估计4.2G, k-mer分析为4. 11G。本文组装出了4.07G的序列,预测了27,491个蛋白编码基因。BUSCO评估有81%的完整性，其他已经报道的裸子植物基因组最高值只有61%。
2、重复序列研究
已经发表的裸子植物基因组，包括针叶树和银杏，均显示是由于这些物种缺乏有效的重复序列去除机制和长期的古老重复序列积累，特别是LTR-RTs序列，造就了它们庞大的基因组。跟其他裸子植物一样，买麻藤的基因组的重复序列比例很高，主要成分LTR-RTs占了77.4%。通过solo LTR和intact LTR的比例分析，买麻藤的这一比例显著高于其他裸子植物，显示买麻藤保留着有效的LTR-RTs消除机制。无油樟基因组被证明保留着许多早期被子植物祖先基因组的古老特征，它的重复序列进化模式跟其他的被子植物有着显著的区别：保留着古老的重复序列，没有近期的LTR-RTs插入，有效的重复序列消除机制。买麻藤和无油樟拥有相同的重复序列进化模式，这种模式显著区别于其他裸子植物和被子植物。
3、内含子多态性研究
在真核生物中，它们的内含子的长度是跟基因组大小成正比的， 然而我们的分析显示该结论在种子植物基因组中不能广泛适用。之前有研究报道银杏和针叶树的内含子比被子植物长 (图1a)，可能是由于LTR-RTs长期稳定扩增造成的，其中LTR-RTs在火炬松和银杏中占长内含子序列的51％和59％。分析买麻藤的内含子，发现它的内含子比火炬松和银杏的短 (图1a)。比较无油樟和买麻藤的内含子，发现它们之间有一些相似性，都有丰富的LINEs (图1e)，与其他裸子植物相比关系更近。
图1 种子植物内含子多态性比较分析
a.9个代表性种子植物的内含子长度和基因组大小；
b.无油樟、买麻藤、火炬松和银杏内含子中4种TEs的序列差异分布；
c.d.e直系同源内含子的比较
4、全基因组重复事件(WGD)
之前有报道称所有种子植物都至少经历了一次古代WGD事件，在许多被子植物的谱系中，WGD事件是反复和持续的。在裸子植物中，针叶树、银杏和苏铁中发生过WGDs。但是对于买麻藤类植物，买麻藤和麻黄都无法检测到WGD事件的信号，尽管麻黄存在广泛的多倍化事件，而对于百岁兰，分析显示它与麻黄、买麻藤分化之后经历了一次特有的WGD事件，这与之前的报道一致。
如果所有的种子植物都经历了古代WGD事件，在买麻藤中没有信号表明发生过，可能是因为与其他裸子植物相比它的基因进化速度比较快，从而导致在300百万年的进化过程中这些信号逐渐被消除。
5、功能蛋白构成进化的研究
为了了解陆生植物基因功能多样化进化的模式，我们在多个物种中使用主成分分析(PCA) 来分析 pfam 区域的数量，结果显示被子植物与裸子植物分离，形成了一个离散的簇 (图2a)，而对于裸子植物，除了买麻藤，其他的裸子植物同样聚在了一起。 与其他种子植物不一样，分离出来的买麻藤与江南卷柏和小立碗藓形成一个进化枝(图2b)，而非买麻藤纲的裸子植物形成了一个分离的分支 (图2b)。说明买麻藤保留着古老的种子植物祖先功能基因集合的状态，并未发生剧烈的家族扩张和收缩。
图2 全基因组分析显示了陆生植物功能蛋白域的多样性
a. 基于陆生植物的pfam域数目的PCA分析；
b. 热图显示江南卷柏和买麻藤的功能蛋白域整体分布类似。
6、通过比较基因组学推导早期种子植物不同分支的基因组演化历史(图3)
图3 对种子植物基因组不同进化模式的预测
文章亮点
- 首次完成了高质量的买麻藤基因组精细图谱绘制，为研究早期种子植物的分歧演化提供了重要关键的数据资源。
- 从重复序列、内含子、WGD、基因功能区域分布等不同层面揭示了买麻藤特有的基因组特征，显著区别于其他已报道的种子植物（针叶树、银杏、大多数被子植物）。
- 通过基因组学比较分析，揭示了早期种子植物不同分支的基因组演化历史并推导了其共同最近祖先的古老基因组特征。
参考文献
[1] Wan T, Liu ZM, Li LF, et al. A genome for gnetophytes and early evolution of seed plants[J]. Nature plants, 2018, s41477-017-0097-2.
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