現存最原始種子植物蘇鐵基因組發布

近日，科學家完成蘇鐵基因組解析工作，發布蘇鐵完整基因組圖譜，這意味著種子植物基因組演化研究中的最后一塊拼圖已順利完成。4月18日，《自然-植物》（Nature Plants）以封面文章發表該研究成果。據悉，該研究成果數據公開共享，全球科學家可免費下載使用。

蘇鐵是地球上現存最古老的種子植物，是著名的“活化石”植物。它的起源可以追溯到大約3億年前，在侏羅紀時代達到最盛期，曾與恐龍一起稱霸整個地球。

蘇鐵經歷過兩次大滅絕、數輪冰川期等諸多考驗，在這個星球上存活了億萬年，現今卻已處于瀕危邊緣。目前，蘇鐵被世界自然保護聯盟紅色名錄列為極度瀕危物種，也是我國國家一級重點保護植物。2008年，中國政府主導完成的第一個“珍稀瀕危植物回歸”項目，便是關于蘇鐵保護。

據了解，作為最原始的種子植物，蘇鐵被譽為“植物界的大熊貓”。然而，蘇鐵的基因組較大，結構復雜，為科學研究工作增添不少難度。現存最原始種子植物中，僅蘇鐵分支一直缺少完整的基因組圖譜。

2017年，深圳華大生命科學研究院（以下簡稱“華大研究院”）啟動萬種植物基因組計劃，旨在推進生物多樣性、進化、生態保護及各種重要基礎科研和農業應用轉化問題的研究。同年，華大研究院、深圳市仙湖植物園、中科院昆明植物所聯合發起蘇鐵基因組項目。

據華大生命科學研究院劉歡研究員介紹，該項目選取蘇鐵類最基部的類群、同時也是中國特有的古老殘遺種-攀枝花蘇鐵作為測序材料，吸引了植物學領域國際頂級專家加入，最終由國內外22個機構，60多名科學家共同參與完成，研究成果數據公開共享，全球科學家可免費下載使用。

研究團隊基于現存蘇鐵目339種植物的轉錄組數據，重建了蘇鐵類自身的系統發育關系，確定了蘇鐵演化的完整歷史。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。

此外，關于裸子植物的共同祖先是否經歷了全基因組加倍事件一直存在爭議。研究發現，伴隨著種子植物起源，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，推斷現存裸子植物的最近共同祖先可能經歷了一次古老的全基因組復制事件。

研究還發現，蘇鐵種子的毒性雖限制了蘇鐵的食用功能，但其仍能發揮出重要的社會效益。研究團隊在攀枝花蘇鐵基因組中發現一種細胞毒素蛋白基因（fitD），該基因起源于細菌，通過水平基因轉移的方式轉移到真菌和蘇鐵中。基于蘇鐵類339個物種轉錄組數據，研究發現該毒素蛋白只在蘇鐵中存在，且在蘇鐵種子和根部高表達，目前尚未在其他植物中發現。

深圳仙湖植物園張壽洲教授介紹：“本次發現的毒性蛋白能夠殺死一些常見昆蟲，如棉鈴蟲、小菜蛾等，目前已通過基因重組技術將其成功應用于棉花，事實證明其殺蟲效率比現有抗蟲棉更高，可在棉花種植中進行推廣。此外，該毒性蛋白的植物性來源，也使其對玉米等農作物具有更安全、更高的保護性。”

此外，研究團隊還揭露了蘇鐵的性別決定相關基因，揭示了蘇鐵性別決定的遺傳機制。研究團隊通過對62株雌雄蘇鐵群體（源于四川攀枝花蘇鐵國家級保護區）進行測序分析，在雄株的Y染色體中找到了雌雄表達差異最大的一個基因，該基因編碼一個MADS-box轉錄因子，推測其調控雌雄蘇鐵的性器官發育。該轉錄因子的同源基因也僅能在雄株基因組中檢測到，說明了該性別決定機制在蘇鐵類植物中的保守性。

研究還發現了蘇鐵種子儲存蛋白中的營養功能、抗菌功能等。

深圳華大生命科學研究院劉陽、王思博、李林洲、楊婷、魏桐，深圳仙湖植物園董珊珊，蘭州大學武生聃等為該論文共同第一作者。深圳仙湖植物園張壽洲，深圳華大生命科學研究院劉歡，中科院昆明植物所龔洵，美國佛羅里達大學Douglas E. Soltis，比利時根特大學Yves Van de Peer為論文共同通訊作者。