種子植物包括被子植物和裸子植物，裸子植物則分為四大類，即蘇鐵類、銀杏類、松柏類和買麻藤類。裸子植物基因組較大，重複序列含量高，結構複雜。迄今為止，現存最原始種子植物蘇鐵分支尚缺少完整的基因組圖譜，而蘇鐵基因組的釋出，則代表人類完成了種子植物基因組演化研究的最後一塊拼圖。
2022年4月18日，《自然·植物》以封面文章線上發表了題為The Cycas genome and the early evolution of seed plants的研究工作。研究團隊釋出蘇鐵參考基因組資訊，填補了種子植物基因組研究的空白，标志着種子植物各大分支的基因組均已覆寫，為後續開展比較基因組學研究奠定了基礎。
論文封面
蘇鐵基因組選取蘇鐵類的基部類群，也是以現生蘇鐵類分布緯度最北的種類攀枝花蘇鐵（Cycas panzhihuaensis）為測序對象。基于長片段測序與MGI-SEQ測序，蘇鐵基因組組裝大小為10.5 Gb，contig N50為12Mb，結合Hi-C資料，挂載為11條染色體（圖一）。其中共注釋32,353個蛋白編碼基因，BUSCO評估完整度為91.6%，是目前裸子植物中最高品質的大基因組圖譜。
圖一：攀枝花蘇鐵的基因組特征，對應其11條染色體
裸子植物具有5大分支，約1118種。關于裸子植物内部大分支之間的系統演化關系一直有不同的學術觀點。基于15個維管植物基因組3282個直系同源低拷貝核基因（圖二a）、90個種子植物轉錄組1569個直系同源基因、72種維管植物葉綠體和線粒體基因組資料的系統分析結果表明，蘇鐵單獨（線粒體資料）、或和銀杏一起（核基因、葉綠體資料）構成其它所有裸子植物的姐妹群（圖二b）。
圖二：a) 基于核基因的種子植物系統發育樹。b) 基于不同資料和方法推斷種子植物的系統發育關系。
基因組加倍是植物演化适應的重要驅動力，關于裸子植物共同祖先是否經曆了全基因組加倍事件一直存在争議。研究者采用對重複基因同義替代分析和系統發育基因組學方法，并使用基因組内共線性區域進行比較驗證，發現現存裸子植物的最近共同祖先可能經曆了一次古老的全基因組複制事件（命名為ω，圖三a）。
伴随着種子植物起源，許多關鍵創新性狀如種子發育、花粉、次生生長相關的基因家族均發生了創新或擴張。在種子植物的祖先節點共發現663個新獲得的基因家族和368個擴張的基因家族。其中，106個新獲得和55個顯著擴張的基因家族與種子生理發育有關，包括調控胚胎早期發育、種子休眠和萌發、種子能量和營養代謝，種皮形成以及種子的免疫和應激反應等（圖三b）。
圖三：a) 基于系統發育關系推斷種子植物的全基因組加倍事件。b) 種子植物的基因家族創新和擴張。
最顯著擴張的種子生理相關家族是cupin蛋白家族。攀枝花蘇鐵編碼一類新的vicilin-like貯藏蛋白 vicilin-like antimicrobial peptides（v-AMP），在基因組中呈串聯基因陣列分布，多在授粉胚珠後期和受精胚珠時期表達，而後逐漸降低，暗示v-AMP基因在種子發育過程特定時期發揮重要作用（圖四a,b）。LAFL家族（LEC1、ABI3、LEC2和FUS3）是種子發育核心調控基因，蘇鐵等裸子植物的FUS3和LEC2基因可構成一個新的進化枝，定義為FUS3 / LEC2-like類型，與被子植物的FUS3和LEC2形成姐妹分支關系。FUS3 / LEC2-like類别是裸子植物特有的。在攀枝花蘇鐵授粉後，其會表現出明顯的表達，表明可能在裸子植物胚胎發生早期發揮特定作用 。
圖四：a) Cuppin的系統發育樹。b)在種子授粉受精過程中蘇鐵Cuppin基因轉錄本的表達水準。
蘇鐵類起源于古生代二疊紀早期，距今已有至少2億7千萬年曆史。在經曆大量滅絕以後，現代蘇鐵多是近期幾次輻射演化的後代。如今蘇鐵具有2科10屬。研究者基于現存蘇鐵目339種植物的轉錄組資料，重建了蘇鐵類自身的系統發育關系。分子鐘分析表明，現存蘇鐵的多樣化同步發生于距今1100至2000萬年之間，是中新世以來氣候劇烈變化的結果（圖五）。
圖五：蘇鐵目系統發育樹支援現存蘇鐵是輻射演化的結果。
雌雄性别分化是一種進化性狀。雌雄異株占到被子植物的6%，但在1118個已報道的裸子植物物種中卻占到65%，而且蘇鐵類植物均為雌雄異株（圖六）。蘇鐵雌雄植株形态類似，隻有在開花時才能判斷性别，然而蘇鐵生長緩慢，種植十年以上且環境适宜才會開花。研究蘇鐵性别決定的分子機制，可以在苗期确定其性别，對于蘇鐵類植物的就地和遷地保護，以及園林培育都具有重要意義。
在本研究中，對四川攀枝花蘇鐵國家級保護區的62株雌雄蘇鐵進行重測序，通過全基因組關聯分析将蘇鐵性别差異區域定位在基因組的第8号染色體上。再通過對一個攀枝花蘇鐵雄株進行單分子測序和序列組裝，得到45.5 Mb的雄株特異Y染色體序列，與相應的120 Mb雌株特異X染色體序列相比短了近80 Mb的序列，顯示出明顯的性染色體分化特征。通過對雌雄大小孢子葉進行轉錄組分析，發現表達差異最大的一個基因來自雄株的Y染色體，該基因編碼MADS-box轉錄因子，推測其參與調控雄株小孢子葉的發育。在蘇鐵目澤米鐵科和大澤米鐵科的代表性物種中，也能在雄株基因組中檢測到該轉錄因子的同源基因序列，說明了該性别決定機制在蘇鐵類植物中的保守性。
本研究通過組裝得到蘇鐵X與Y染色體序列，揭示了蘇鐵性别決定的遺傳機制，為蘇鐵類植物的野外雌雄空間分布格局研究和園林培育提供了理論基礎。
圖六：a) 攀枝花蘇鐵。b) 攀枝花蘇鐵雄株和雌株的孢子體 | 參考文獻[1]
早期維管植物的精子都是有鞭毛，可以遊動的。随着演化，鞭毛丢失。在現生種子植物中僅蘇鐵和銀杏保留精子具鞭毛的特征。研究人員發現，蘇鐵和銀杏均保留了大量鞭毛組裝所需基因，但與蘇鐵相比，銀杏中RSP類基因有一定的丢失（RSP2, RSP3, RSP 9, 和RSP11等）。此外，與鞭毛行使功能密切相關的外周緻密纖維合成基因（ODFs），隻在蘇鐵和銀杏基因組中存在，在其它種子植物中則全部丢失（圖七）——進一步證明了蘇鐵在種子植物演化中古老的地位。
圖七，a) 蘇鐵鞭毛。b)植物演化過程中鞭毛的丢失。c) ODF和其它鞭毛相關基因的分布 | 參考文獻[1]
水準基因轉移泛指不同物種間的基因交流，在陸生植物适應性進化過程中起到推動作用。研究者在攀枝花蘇鐵基因組中發現一種細胞毒素蛋白基因（fitD），這種基因起源于細菌，通過水準基因轉移的方式轉移到真菌和蘇鐵中（圖八a）。基于蘇鐵類339個物種轉錄組資料，研究人員發現該毒素蛋白隻在蘇鐵屬物種中存在。同時，fitD基因在種子和根部高表達，這可能也是蘇鐵種子和根部具有毒性的原因之一。基于基因重組技術，在大腸杆菌表達的毒素蛋白産物對小菜蛾和棉鈴蟲有顯著緻死性（圖八b-f），顯示出毒素蛋白具有一定的農業應用前景。
圖八：a)蘇鐵水準轉移毒蛋白基因的演化曆史。b-f) 蘇鐵毒蛋白基因表達，及對昆蟲毒性實驗 | 參考文獻[1]
參考文獻
作者：劉陽
編輯：酥魚
排版：尹甯流
題圖來源：Wikimedia Commons，Mercy / CC BY-SA 3.0（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en）
研究團隊
（共同）第一作者劉陽：深圳華大生命科學研究院、深圳仙湖植物園；王思博，李林洲、楊婷、魏桐：深圳華大生命科學研究院；董珊珊：深圳仙湖植物園；武生聃：蘭州大學；劉勇波：中國環境科學院
（共同）通訊作者張壽洲：深圳仙湖植物園；劉歡：深圳華大生命科學研究院；龔洵：中科院昆明植物所；Douglas E. Soltis：美國佛羅裡達大學；Yves Van de Peer：比利時根特大學。