2020年10月8日，福建農林大學明瑞光課題組，聯合中國科學院西雙版納熱帶植物園陳進課題組在國際頂級期刊Cell雜誌上發表了題為Genomes of the banyan tree and pollinator wasp provide insights into fig-wasp coevolution的研究長文，發布了榕樹和榕小蜂精細基因組圖譜，並揭示了榕屬植物氣生根形成、性別決定、及其與傳粉榕小蜂共演化機制。
榕屬植物 (Ficus) 組成了桑科物種中最大的一個屬，含有約830個種，統稱榕樹。其地域分布廣泛，環境適應能力較強，距今已有約9000萬年歷史【1】。榕樹與人類生活息息相關。早在新石器時代，約旦河谷的先民已經開始馴化無花果（F. carica）作為重要的食物來源【2】。「菩提本無樹，明鏡亦非臺」，相傳釋伽牟尼坐於菩提樹 (F. religiosa) 下悟道成佛。作為榕屬大家族中的一員，菩提樹成為了歷代佛門弟子的精神寄託。如今，榕樹作為重要的行道樹遍布大江南北。福州以其榕樹繁多而古美收穫「榕城」美譽。
千年古榕（福州國家森林公園，攝影：廖振陽）
榕樹分屬於榕屬植物6個不同亞屬，白肉榕亞屬、榕亞屬、無花果亞屬、糙葉榕亞屬、聚果榕亞屬和薜荔榕亞屬。其中，白肉榕亞屬和榕亞屬均為雌雄同株，無性別之分。同時，榕亞屬的380多個物種均可以產生繁茂的氣生根，以「絞殺」著稱。其他四個亞屬大多數榕樹屬於（功能性）雌雄異株榕樹，其雌樹榕果內雄花敗育，只有長花柱雌花，最終生成種子；而雄樹榕果內具有雄花和短花柱雌花，雌花可供榕小蜂寄生，最終產生花粉和花粉運輸載體——榕小蜂。另外，大部分雌雄異株榕樹均無氣生根之茂（斜葉榕等除外）。榕樹花開於果內，又稱隱頭花序。每一種榕樹都需要一種特定的榕小蜂進入果子傳粉。這種專性共生關係形成了獨特的榕蜂共演化系統。榕樹的這些特徵，引發人們提出一系列有趣的科學問題：1）氣生根形成的遺傳機制是什麼？2）何種基因控制榕樹性別決定？3）榕屬的祖先是雌雄同株還是雌雄異株？4）榕樹通過何種機制吸引專性傳粉榕小蜂？5）榕蜂共適應的遺傳機制是什麼？6）不同榕亞屬的起源與系統演化地位是什麼？
為了解析上述科學問題，「榕城」學者聯合中科院版納植物園科學家，使用PacBio單分子測序、染色質三維構象捕獲 (Hi-C) 和高密度遺傳圖譜等技術成功構建了兩個榕樹（小葉榕、對葉榕）和小葉榕傳粉榕小蜂高質量基因組精細圖譜。其中，小葉榕 (F. microcarpa) 屬於榕亞屬，雌雄同株，具有繁茂氣生根，基因組大小為436 Mb，含有13對染色體；而對葉榕 (F. hispida) 屬於聚果榕亞屬，雌雄異株，不具有氣生根，基因組大小為360 Mb，含有14對染色體。比較基因組學研究發現兩者存在大量的結構變異，如染色體斷裂、片段化重複等。這些變異與植物免疫、帖烯類合成等重要的生物學過程有關，為其適應性演化提供了遺傳基礎。
研究人員進一步通過轉錄組分析鑑定了811個在氣生根尖中特異性高表達的基因，這些基因顯著富集在運輸相關的通路。值得注意的是，與生長素合成、調控與運輸相關的多個基因在氣生根中都有高度表達，如PIN、GNOM、TAR、YUC、IAA14、ARF7/19、PLETHORA2和WOX11等。同時，相比於無氣生根的其他物種（對葉榕、桑樹和擬南芥），部分基因呈現出大量的擴張。這些基因包括與生長素合成 (YUC2, YUC6和TAR)，生長素信號級聯反應(CLU1, SINAT5)，生長素運輸 (PIN1和GNOM) 以及光受體 (CRY2和PHR2) 相關基因。代謝組分析顯示，小葉榕氣生根中積累大量的IAA生長素（15.65 ng/g），是小葉榕和對葉榕葉片生長素含量的5倍。這些結果表明，在光照刺激下，小葉榕體內生長素大量合成並轉運，從而介導了其氣生根的形成和發育（圖1）。
圖1. 小葉榕氣生根形成和發育的遺傳機制。（A）氣生根中特異性高表達的基因。這些基因參與氣生根生長發育。（B）小葉榕中參與生長素合成、信號轉導、運輸和光受體的基因家族發生了擴張。（C）PIN基因在小葉榕、對葉榕和擬南芥中的系統發育關係。（D）代謝組分析兩種榕樹不同組織的生長素和細胞分裂素的不同組分的含量。（E）氣生根生長發育遺傳機制模式圖。榕樹的性別是由XY系統決定。在雌樹榕果中，雄花敗育；在雄樹榕果中，雌花由於榕小蜂寄生發育成癭花。研究人員通過構建F1群體並利用不同性別的自然群體重測序數據，發現位於對葉榕12號染色體上的2Mb區間發生重組抑制，鑑定為性別決定區域（圖2）。該區間具有一個MADS-box家族基因，且該基因僅存在於雄性個體中。進一步分析發現，該基因屬於ABC模型的關鍵基因AG同源基因。在擬南芥中，AG控制心皮和雄蕊的發育。雌雄同株的小葉榕只含有一個AG基因，而雌雄異株的對葉榕具有三個AG同源基因。FmAG1和FhAG1具有相似的表達模式，並維持了很強的共線性，是AG的直系同源基因。而FhAG2和FhAG3基因是AG的旁系同源基因，具備相似的表達模式並都只存在雄性個體中。這些結果表明，榕屬植物性別分化以後，AG基因發生了兩次複製，並產生新功能，其中FhAG2位於重組抑制區且是雄性特異性序列，從而形成對葉榕的性別決定的候選基因。對來自不同亞屬的雌雄異株榕樹PCR分析表明，FhAG2可能是榕屬普遍的性別決定因子，而非之前認為的無花果的性別決定基因FcRAN1。榕屬水平的群體重測序分析表明，雌雄同株為榕屬的祖先狀態，且雌雄分化在距今約4750萬年的始新世時期，這一時期氣候變暖，二氧化碳含量劇增。
圖2. 對葉榕性別決定機制的研究和Y染色體的演化。（A）比較分析F1雌、雄遺傳圖譜鑑定重組抑制區。（B）對葉榕12號染色體0-5Mb區間雌雄重測序數據雜合度分析。（C）X和Y染色體比較分析鑑定性別決定區存在一處染色體倒置。（D）JBrowse呈現FhAG2基因只存在於雄性個體中。（E）小葉榕和對葉榕AG基因在不同組織中的表達。SA，SB和SC為三個果實發育的不同時期。榕樹與榕小蜂在長期的協同演化中形成了穩定的專性互惠共生關係，體現在一種榕樹一般只對應一種特異的傳粉榕小蜂。維繫這種共生關係需要兩者在各自物種分化過程中形成彼此匹配的生物學形態特徵。例如，不同榕樹具有不同大小的果實，相應傳粉小蜂的體型也會有所差異才得以通過狹小的苞片口鑽入榕果中進行傳粉和產卵。這意味著，編碼這類形態特徵的基因在群體演化上趨於保守，過多的變異積累可能會導致互惠共生關係的失衡。研究人員收集到37個在番茄中控制果實發育的同源基因，並發現其中7個同源基因在對葉榕群體中受到純化選擇。這些基因包括三個生長素信號相關基因（ARF7、ARF8和TIR1），兩個ABA合成相關基因（NCED和FLACCA），一個初級代謝基因（SuSy）和一個細胞周期控制基因（CDKA）。相應的，研究人員還發現相當比例（22.5%, 14/62）的hippo信號通路基因在榕小蜂中受到純化選擇。而hippo通路可以通過調控細胞增殖和凋亡影響昆蟲體型大小。另外，榕樹-榕小蜂專性傳粉關係維持的核心機制在於榕樹通過雌花期榕果釋放特異的揮發物質吸引專一性傳粉者，而傳粉小蜂通過嗅覺受體以及神經網絡調控識別這種揮發信號。基於在中國西南地區同域分布的聚果榕亞屬的全部14種榕樹及其對應的主要專性傳粉榕小蜂的重測序數據，研究人員以聚果榕亞屬為材料，通過揮發物分析和電生理實驗鑑定到該亞屬中三種代表榕樹吸引對應的專性傳粉小蜂的活性氣味成分均具有物種特異性，它們都屬於1）經由甲羥戊酸途徑合成的多種倍半萜組分和2）由莽草酸通路合成的4-甲基苯甲醚。基於聚果榕亞屬的群體分析顯示，五個甲羥戊酸途徑（IPP2, AACT1, BAP1, HMG1和iso-dip異構酶）和四個莽草酸通路相關基因（DAHP, 3-脫氫硫胺素脫水酶和兩個莽草酸激酶）受到純化選擇。與之對應，榕小蜂中存在多個嗅覺感應相關基因（五個OR，一個CSP和一個IR）受到強烈的選擇性清除壓力。以上結果首次在基因組水平上揭示了榕樹-榕小蜂在形態和生理方面的協同演化對雙方類群的協同多樣化的重要影響。
該研究由福建農林大學、中科院西雙版納熱帶植物園、臺灣大學、華東師範大學和美國伊利諾伊大學香檳分校多家單位協作完成。福建農林大學的張興坦副教授和中科院版納熱帶植物園王剛副研究員為共同第一作者，明瑞光教授和中國科學院西雙版納熱帶植物園陳進研究員為共同通訊作者。福建農林大學張積森、唐海寶教授，馬曉開、林繼山、趙麗華博士，科研助理張晟鋮、林京、徐秀明、鄧芳，研究生陳帥、王毅斌、石巖、齊睿、楊楊、廖振陽、陳學群、徐鑫丹，中科院版納植物園文平博士，華東師範大學陳小勇教授、王嶸副教授，臺灣大學林彥蓉教授、研究生李沂倫參與了本項研究。該研究得到了國家自然科學基金委和中國科學院相關經費的資助。
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