“該研究完成了木蘭類物種鵝掌楸的基因組組裝，這也是木蘭類植物中首次報道基因組組裝的物種；研究對東亞—北美東亞間斷分布的鵝掌楸屬姊妹樹種在被子植物系統演化進行了分析，確定了以鵝掌楸為代表的木蘭類植物在被子植物中的演化地位；同時通過對鵝掌楸和北美鵝掌楸的種群遺傳多樣性分析，解析了鵝掌楸屬物種的群體遺傳結構特征。”南京林業大學林學院教授施季森告訴科技日報記者。

北京時間18日零點（英國倫敦時間2018年12月17日16點），國際學術期刊《自然植物》（Nature Plants）在線發表了施季森帶領的鵝掌楸團隊的研究論文，在全球首次破譯孑遺植物鵝掌楸基因組。

木蘭類、雙子葉與單子葉之間的演化關系是爭論焦點

“ 木蘭類植物共含四大目：木蘭目、白桂皮目、樟目和胡椒目，是主要被子植物，即核心被子植物中較早演化出來的一支，對于理解被子植物的演化具有非常重要的意義。目前，木蘭類植物、雙子葉植物與單子葉植物之間的演化關系一直是研究的熱點和爭論的焦點。”施季森說。

鵝掌楸，為木蘭類木蘭目木蘭科鵝掌楸亞科鵝掌楸屬植物。鵝掌楸的營養器官具有典型的雙子葉植物的特征，包括兩片子葉、葉片網狀脈、主根系以及典型的雙子葉莖橫切面結構；而鵝掌楸的生殖器官則偏向于單子葉植物，包括花基數為三和單溝型花粉結構。以往的系統發育研究大體有三種拓撲結構：（雙子葉植物，木蘭類植物），單子葉植物；（單子葉植物，木蘭類植物），雙子葉植物；（雙子葉植物，單子葉植物），木蘭類植物）。

該團隊以第三代單分子實時測序技術為主，結合第二代測序和光學圖譜技術等對鵝掌楸基因組進行了測序和組裝。

“前期流式細胞儀評估顯示鵝掌楸基因組大小約為1.8 Gb，測序完成的組裝大小為1.74 Gb。基于F1代群體構建了鵝掌楸高密度遺傳圖譜，并將529個、共1.37 Gb的scaffolds（通過現有基因組裝軟件能拼接起來的較長的DNA骨架）掛載到了19個連鎖群上。利用基因組注釋流程專業工具，共預測到35269個蛋白編碼基因模型，其中83.59%的基因具有對應的功能注釋結果。”該論文第一作者南京林業大學林學院教授陳金慧說。

“綜合表型鑒定、單基因建樹、物種樹構建及基因家族分析等結果說明，以鵝掌楸為代表的木蘭類植物在單、雙子葉植物分化之前就已經形成。”施季森說，該研究結果對于理解被子植物的演化，以及鵝掌楸屬種質資源利用具有非常重要的意義。

“通過15個陸地植物的全基因組數據以及兩個新測的木蘭類植物轉錄組數據構建的低拷貝基因集單基因建樹，結果顯示支持三種拓撲結構的基因數大致相當，不存在明顯的偏向性，說明了為何前人通過不同的數據集能獲得不同的結論，并且表明這三大類植物共同祖先的分化較快，這可能是導致目前有關這三者之間系統發育關系模糊的原因。”陳金慧說。

進一步的物種樹構建顯示木蘭類植物這一支在單、雙子葉分化之前就已經形成，該結果同時在葉綠體數據中得到驗證。

“另外，鵝掌楸基因組中所含的單、雙子葉特有基因家族的比例關系與無油樟中保持一致，與單子葉植物浮萍、雙子葉植物博落回差異顯著。綜合表型鑒定、單基因建樹、物種樹構建及基因家族分析等結果說明以鵝掌楸為代表的木蘭類植物在單、雙子葉植物分化之前就已經形成。”施季森說。

鵝掌楸在整個第四季冰川時期均有不同程度的群體衰減

“鵝掌楸屬植物曾有十多種，在晚第三紀之前廣泛分布于北半球高緯度地區，現僅存兩種，一個種生活在東亞，為分布在中國的鵝掌楸，另一個種生活在北美，為北美鵝掌楸，是十分典型的東亞—東部北美洲際間斷分布姊妹種。”施季森說。

有研究指出鵝掌楸與北美鵝掌楸的分化時間大約在中新世中期到晚期之間，這對姊妹種植物對于地理隔離之后物種適應性演化形成新物種的研究具有非常重要的意義。通過群體分析顯示鵝掌楸屬物種可分為三個亞群：鵝掌楸中國東部種源亞群、中國西部種源亞群及北美鵝掌楸種源亞群，這三個亞群內部的遺傳多樣性以鵝掌楸的中國西部種源亞群最高，中國東部種源亞群次之，北美鵝掌楸種源亞群則遠遠低于前兩個亞群。

“根據SNP構建的進化樹顯示北美鵝掌楸種源亞群正好位于鵝掌楸中國東、西部種源亞群之間，且表型分析顯示這三個亞群共享了同一種葉片表型，而中國東部種源亞群和北美種源亞群又各自演化出了內部特有的葉片表型。”陳金慧說。

另外，化石資料顯示鵝掌楸中國東、西部種源亞群的葉片表型特征在已滅絕的兩個鵝掌楸物種中早已出現，說明中國東部和西部種源鵝掌楸的分化可能要早于鵝掌楸與北美鵝掌楸之間的洲際分化。

“進一步的種群歷史動態分析顯示，所有鵝掌楸亞群在整個第四季冰川時期均有不同程度的群體衰減，而鵝掌楸的東、西部種源亞群在0.4個百萬年前均存在一個峰值，而后有效群體數量不斷衰減；相比而言，北美鵝掌楸在2.3個百萬年前左右就顯示已進入了群體持續衰減的趨勢。鵝掌楸群體的峰值的時間點正處于古鄉冰期和聶聶雄拉冰期之間的間冰期，這可能是導致鵝掌楸的遺傳多樣性遠高于北美鵝掌楸的原因。”陳金慧說。

據悉，該論文的第一作者為南京林業大學林學院教授陳金慧，林學院博士郝兆東、華大基因光宣敏、趙辰曦為并列第一作者；第一通訊作者為南京林業大學林學院教授施季森，教授陳金慧、南京大學教授揚四海、華大基因副總裁劉娜為并列通訊作者。研究合作單位有南京大學、華大基因、美國佐治亞大學、美國杰克遜基因組醫學實驗室、美國加利福利亞大學、湖北省林業廳林木種苗管理總站、中國科學院植物研究所及德國弗萊堡大學等。

來源：科技日報