8月1日，我校生態(tài)環(huán)境學(xué)院蔡晶教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所江會(huì)鋒研究員和云南農(nóng)業(yè)大學(xué)楊生超教授團(tuán)隊(duì)在植物生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的最新原創(chuàng)研究成果在《Nature Plants》（《自然-植物》）期刊發(fā)表。這是蔡晶教授繼2023年11月在《Nature Genetics》發(fā)表蔥屬植物多樣性演化的生態(tài)適應(yīng)機(jī)制研究之后的又一重要研究成果。
基因組蘊(yùn)含了不同生物適應(yīng)各自生態(tài)環(huán)境的奧秘。因此，利用基因組為基礎(chǔ)的多組學(xué)生物大數(shù)據(jù)，從基因和分子層面揭示生物多樣性演化進(jìn)程中生物與環(huán)境互作的生態(tài)適應(yīng)機(jī)制，成為基因組學(xué)前沿技術(shù)推動(dòng)生態(tài)學(xué)科創(chuàng)新發(fā)展的新方向。基因組大小與環(huán)境適應(yīng)關(guān)系密切，一般認(rèn)為大基因組的植物更加適合寒冷與弱光的環(huán)境。黑藥花科植物因?yàn)榭苾?nèi)物種基因組大小相差懸殊（超過(guò)20倍），成為研究植物基因組大小變化與生態(tài)適應(yīng)的重要模型。
蔡晶教授團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于百合類(lèi)單子葉植物中大量具有地下儲(chǔ)存器官植物多樣性演化的生態(tài)適應(yīng)機(jī)制研究。近期在石蒜科蔥屬和黑藥花科滇重樓兩個(gè)類(lèi)群中開(kāi)展工作，致力于利用多組學(xué)大數(shù)據(jù)從形態(tài)發(fā)育、天然產(chǎn)物合成以及基因組大小演變?nèi)矫娼馕龅叵聝?chǔ)存器官演化的分子機(jī)制。前期已經(jīng)在蔥屬植物形態(tài)風(fēng)味演化密切相關(guān)的球莖形態(tài)發(fā)育和蒜氨酸天然產(chǎn)物合成機(jī)制方面取得了重要進(jìn)展。地下儲(chǔ)存器官演化常常伴隨基因組的增大。滇重樓地下莖作為多年生地下儲(chǔ)存器官富含重樓皂苷等天然產(chǎn)物，具有悠久的藥用歷史，又具有超大基因組和超長(zhǎng)染色體。破譯滇重樓基因組既有助于理解地下儲(chǔ)存器官演化的生態(tài)適應(yīng)機(jī)制，更有助于解析重樓皂苷等天然產(chǎn)物生物合成通路，為利用細(xì)胞工廠(chǎng)高效生物合成重樓皂苷奠定重要基礎(chǔ)。
本項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷7年攻關(guān)，成功解析了藥用植物滇重樓54.58 Gb的超大基因組——相當(dāng)于人類(lèi)基因組的18倍！更令人驚嘆的是，其最大染色體長(zhǎng)度突破14 Gb，創(chuàng)下所有已知生物染色體長(zhǎng)度的紀(jì)錄。
圖1. 滇重樓植株及其與人類(lèi)染色體核型對(duì)比
面對(duì)超大基因組組裝的世界性難題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研發(fā)染色體組裝策略（已獲國(guó)家專(zhuān)利ZL202410969593.6），成功繪制出滇重樓五條巨型染色體圖譜。通過(guò)Hi-C數(shù)據(jù)分析，研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)這些"巨無(wú)霸"染色體在細(xì)胞兩次分裂間的休息期（細(xì)胞分裂間期）仍保持獨(dú)特的高階螺旋結(jié)構(gòu)，每圈螺旋長(zhǎng)達(dá)250 Mb，顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)知。
圖2. 滇重樓染色體圖譜與細(xì)胞分裂間期高階螺旋模型
為了找到滇重樓基因組增大的幕后推手?，研究團(tuán)隊(duì)解析其基因組增大的驅(qū)動(dòng)機(jī)制與染色體穩(wěn)定性的維持系統(tǒng)??。對(duì)比同科植物興安藜蘆（基因組僅3.93Gb）發(fā)現(xiàn)，滇重樓基因組的增大與全基因組復(fù)制事件無(wú)關(guān)。相反，這種擴(kuò)張是由占其基因組 96% 的轉(zhuǎn)座子驅(qū)動(dòng)的。其中78% 的轉(zhuǎn)座子插入發(fā)生在 2900 萬(wàn)年前，Ty3/gypsy 和 Helitron 等基因組重復(fù)元件是擴(kuò)張的主要驅(qū)動(dòng)因素。同時(shí)滇重樓進(jìn)化出三大“生存智慧”，包括DNA修復(fù)相關(guān)基因家族的顯著擴(kuò)充、5mC高甲基化沉默轉(zhuǎn)座子的表觀(guān)遺傳調(diào)控、以及增強(qiáng)異染色質(zhì)穩(wěn)定性的組蛋白H2A.W亞家族的特異突變。
圖3. 黑藥花科植物全基因組復(fù)制歷史
這項(xiàng)研究揭示了滇重樓超大基因組的演化和維持機(jī)制，為理解植物基因組大小差異和染色體結(jié)構(gòu)多樣性提供了新的視角。
在上述工作的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在蔥屬和重樓的泛基因組、天然產(chǎn)物合成通路、地下儲(chǔ)存器官形態(tài)發(fā)育等方面開(kāi)展深入研究，解析地下儲(chǔ)存器官演化的生態(tài)適應(yīng)機(jī)制，為生物多樣性保護(hù)和利用提供重要理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。
（文字：曾鵬；圖片：曾鵬；審核：邱強(qiáng)）
