赋能科研 | 华大智造DNBSEQ测序平台助力种子植物基因组“最后一块拼图”诞生！

2022-04-26 02:19:39, 华大BGI 深圳华大智造科技有限公司

4月18日，基于华大智造DNBSEQ测序平台研究解析的苏铁完整基因组图谱在《自然-植物》（Nature Plants）封面发表。这张图谱，由华大联合多家科研单位完成，是种子植物基因组演化研究中的最后一块拼图。

Nature Plants官网截图

如果你对苏铁这个名字感到陌生，其实我们常说的“铁树开花”中，铁树的学名便是苏铁。

苏铁是地球上现存最古老的种子植物，是著名的“活化石”植物。它的起源可以追溯到大约3亿年前，在侏罗纪时代达到最盛期，曾与恐龙一起称霸整个地球。

侏罗纪还原作品中，恐龙旁边的植物大多是苏铁的身影

苏铁经历过两次大灭绝、数轮冰川期等诸多考验，在这个星球上存活了亿万年，今天却已处于濒危边缘。目前，苏铁被世界自然保护联盟红色名录列为极度濒危物种，也是我国国家一级重点保护植物。2008年，中国政府主导完成的第一个“珍稀濒危植物回归”项目，便是关于苏铁保护。

作为最原始的种子植物，苏铁具有极其重要的科学价值、生态价值和经济价值，可以说是“植物界的大熊猫”。然而，苏铁的基因组较大，结构复杂，为科学研究工作增添不少难度。现存最原始种子植物中，仅苏铁分支一直缺少完整的基因组图谱。

复习一下植物分类知识

2017年，深圳华大生命科学研究院（以下简称“华大研究院”）启动万种植物基因组计划，旨在推进生物多样性、进化、生态保护及各种重要基础科研和农业应用转化问题的研究。同年，华大研究院、深圳市仙湖植物园、中科院昆明植物所联合发起苏铁基因组项目。

据华大生命科学研究院刘欢研究员介绍，该项目选取苏铁类最基部的类群、同时也是中国特有的古老残遗种-攀枝花苏铁作为测序材料，吸引了植物学领域国际顶级专家加入，最终由国内外22个机构，60多名科学家共同参与完成，研究成果数据公开共享，全球科学家可免费下载使用。

本次研究选取苏铁现存的一些重点科学问题作为主要研究方向，下文摘选其中几点进行介绍。

溯源认祖，重建家谱

虽然苏铁的基因组很大，但是进化速率很低、变异慢，积累的变异极其有限，研究者很难确定其演化历史。

现在我们看到的苏铁，大多是近期几次辐射演化的后代，共有2科10属。研究团队基于现存苏铁目339种植物的转录组数据，重建了苏铁类自身的系统发育关系，确定了苏铁演化的完整历史。分子钟分析表明，现存苏铁的多样化同步发生于距今1100至2000万年之间，是中新世以来气候剧烈变化的结果。

苏铁目系统发育树支持现存苏铁是辐射演化的结果

此外，关于裸子植物的共同祖先是否经历了全基因组加倍事件一直存在争议。研究发现，伴随着种子植物起源，许多关键创新性状如种子发育、花粉、次生生长相关的基因家族均发生了创新或扩张。在种子植物的祖先节点共发现663个新获得的基因家族和368个扩张的基因家族，推断现存裸子植物的最近共同祖先可能经历了一次古老的全基因组复制事件。

种子有毒，但能造福

聪明的恐龙在食用苏铁种子的时候，都是囫囵吞枣式的吃法，根本不会细细咀嚼。这是因为苏铁在长期演化过程中，为保证繁衍而制定的防御武器，使其种子果壳内的种仁具有毒性，动物一旦误食会出现恶心呕吐现象。

研究团队在攀枝花苏铁基因组中发现一种细胞毒素蛋白基因（fitD），该基因起源于细菌，通过水平基因转移的方式转移到真菌和苏铁中。基于苏铁类339个物种转录组数据，研究发现该毒素蛋白只在苏铁中存在，且在苏铁种子和根部高表达，目前尚未在其它植物中发现。

攀枝花苏铁的基因组特征，对应其11条染色体

虽然毒性限制了苏铁的食用功能，但不妨碍它在人类社会发挥用处。据深圳仙湖植物园张寿洲教授介绍，“本次发现的毒性蛋白能够杀死一些常见昆虫，如棉铃虫、小菜蛾等，目前已通过基因重组技术将其成功应用于棉花，事实证明其杀虫效率比现有抗虫棉更高，可在棉花种植中进行推广。此外，该毒性蛋白的植物性来源，也使其对玉米等农作物具有更安全、更高的保护性。”

性别疑问，基因辨认

苏铁均为雌雄异株，对其性别的分辨，只能通过开花后的形状来进行判断。但苏铁生长缓慢，成株树龄多在10年以上且适宜环境条件下才会开花。

了解一个物种的性别比例，对其繁衍延续、科学保护等具有重要意义。苏铁的性别控制基因问题，困扰科学界已久。本次研究发现了苏铁的性别决定相关基因，揭示了苏铁性别决定的遗传机制。

研究团队通过对62株雌雄苏铁群体（源于四川攀枝花苏铁国家级保护区）进行测序分析，在雄株的Y染色体中找到了雌雄表达差异最大的一个基因，该基因编码一个MADS-box转录因子，推测其调控雌雄苏铁的性器官发育。该转录因子的同源基因也仅能在雄株基因组中检测到，说明了该性别决定机制在苏铁类植物中的保守性。

a) 攀枝花苏铁；b) 攀枝花苏铁雄株和雌株的孢子体

苏铁在性别方面还有一个特别的地方，其雄株的精子体积是所有生物中最大的，且保留有鞭毛，能够在花粉管的液体内自由游动。现生种子植物中，只有苏铁和银杏保留有这种特征。研究发现，苏铁和银杏均保留了大量鞭毛组装所需基因。此外，与鞭毛行使功能密切相关的外周致密纤维合成基因（ODFs），只在苏铁和银杏基因组中存在，在其它种子植物中则全部丢失。这也进一步证实了苏铁在种子植物演化中古老的地位。

Nature Plants封面

除了在上述农业方面具有可观的应用前景之外，苏铁还有着很多待研究发掘的实用价值，譬如药用价值上，苏铁全身均可入药，叶片提取物有抗癌活性，在治疗癌症、艾滋病、肝脏疾病等多种疾病的药物中均有应用。此次研究在苏铁种子储存蛋白中发现的营养功能、抗菌功能等，也无一不预示着苏铁将为生态保护、人类生活与健康带来更多可能性。

深圳华大生命科学研究院刘阳、王思博、李林洲、杨婷、魏桐，深圳仙湖植物园董珊珊，兰州大学武生聃等为该论文共同第一作者。深圳仙湖植物园张寿洲，深圳华大生命科学研究院刘欢，中科院昆明植物所龚洵，美国佛罗里达大学Douglas E. Soltis，比利时根特大学Yves Van de Peer为论文共同通讯作者。

该项目得到深圳市城市管理和执法局科研专项（No.201916，202019，202105）、国家重点研发计划（2019YFC1711000）、生态环境部生物多样性调查与评估（2019HJ2096001006）等基金支持。