多次的全基因組重複事件可能促成古代和近代蕨類植物的崛起

2021-03-02 iPlants

研究團隊：黃建勳、齊新萍、陳鐸元、戚繼、馬紅

復旦大學生命學院黃建勳副研究員、齊新萍博士、陳鐸元同學、戚繼教授聯合美國賓州州立大學馬紅教授，在JIPB發表了題為《多次全基因組重複事件可能促進古代和近代蕨類植物的崛起》(Recurrent genome duplication events likely contributed to both the ancient and recent rise of ferns)(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/jipb.12877)的研究論文。

蕨類植物起源於約4億年前，是維管植物第二大類群。在被子植物出現前，蕨類在古地球植被中佔據主導地位，而現代蕨類植物儘管沒有被子植物的多樣性豐富，仍在當前生態系統中佔有重要地位。本研究中，作者利用近期該實驗室建立的蕨類植物物種關係，通過分析大批基因家族進化樹，檢測到19個蕨類全基因組重複事件，並確定了相關蕨類植物類群。特別是有三個重複事件發生在約一億到三億年前，影響到66-97%的現存蕨類植物，另外有八個目的祖先也都有重複事件。之所以現在能夠檢測到這些古代基因組重複事件，是因為相關蕨類植物類群存活到了今天，暗示它們在進化過程中與其他蕨類植物類群相比具有一定優勢，並且保留了相當多的相關重複基因。基因功能富集分析發現，幾乎所有全基因組重複事件保留的基因中，富集了色素積累和分子轉導活性（包括信號受體活性和磷酸化反應調節活性）等相關功能，還有約一半重複事件中的基因富集了解毒和抗氧化活性相關過程。這些功能可能有助於蕨類植物適應白堊紀後新的、陰涼的棲息地。我們也比較了蕨類植物姊妹類群的物種分化速率與全基因組重複事件次數，發現在九成以上的情況下，全基因組重複發生多的分支，其物種分化速率也高。最後，我們估算了基因組重複發生的年代，得知15個重複事件都發生在白堊紀或很相近的時期。根據一篇新發表的植物化石文獻，在白堊紀晚期，蕨類和裸子植物的多樣性在大量降低，而被子植物物種豐富度在同期則降低較少，最終導致蕨類及裸子植物長久的稱霸時期在這段時間被被子植物所取代。我們推測，多次全基因組重複或許能增加蕨類在這段逆境時期下適應新環境的能力，避免了滅絕的命運。然而，蕨類在白堊紀中終究比不上被子植物的擴張，這很可能是由於被子植物具有的其他優勢，使其在逆境中恢復的更快，比如被子植物的花提供多樣的授粉方式以縮短受精的時間，果實為種子提供保護與幫助傳播，種子為胚胎提供了保護、同時賦予其萌發的養分。總而言之，我們的結果顯示全基因組重複有助於蕨類物種分化，但影響物種多樣性的並不只有全基因組重複，包括關鍵性狀的產生、與其他類群的共同演化等因素也可能起到重要的作用。這項研究為蕨類植物中多次出現的全基因組重複提供了分子證據，並為蕨類植物基因組進化等進化生物學研究提供了重要線索與信息。

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