谁是地球上最古老的开花植物类群?-深度-知识分子

谁是地球上最古老的开花植物类群?

5天前
导读
睡莲基因组揭示早期开花植物的进化奥秘

很多人会疑惑睡莲和荷花是同一类型吗?它们虽然长相类似,但实际上亲缘关系距离很远。

2020年1月2日,福建农林大学张亮生教授及其合作者在《自然》 的一篇文章表示他们获得了蓝星睡莲的高质量基因组。由于睡莲独特的进化位置,其基因组与转录组结果展示了早期开花植物的进化特点和特征;同时解析了睡莲的花器官发育和花香花色调控基因,对园艺育种等应用具有重要参考价值。

睡莲是古老的被子植物(图源:futurity.org)


整理 | 常青藤


睡莲是古老的被子植物,具有重要的进化地位和基础研究价值。作为早期被子植物类群,睡莲基因组和生物学特点对理解被子植物快速辐射具有重要的意义。
 

睡莲跟荷花是同一类型吗?

虽然睡莲和荷花长相类似,但亲缘关系距离很远。荷花属于真双子叶,之前认为它们属于同一类型实属误解。从广义上来讲,睡莲目中有三个科,接近100个物种,从狭义上讲,睡莲科睡莲属中5个亚属,也有70多个种,而荷花只有2种;睡莲具有更强的适应性和更为广泛的分布范围;荷花的花色具有黄、红、白三种主色,而睡莲具有更加丰富的花色,包括了黄、红、白、蓝、紫和各种嵌色系。


荷花和睡莲,你觉得它们有区别吗?


睡莲目、无油樟目与木兰藤目三个早期被子植物类群,称为ANA被子植物类群。ANA被子植物类群,与单子叶、核心双子叶、以及木兰类等一起组成现在的被子植物,后者被称为核心被子植物。关于谁是地球上最古老的开花植物类群,仍存在争论。尽管2013年美国科学家完成了无油樟基因组工作,但没有解决其系统位置上的分歧,因此研究睡莲的基因组不仅能解决谁是现存最早的被子植物类群的问题,也为开花植物进化提供研究资源。
 

基因组揭示睡莲进化的秘密


张亮生及其合作者在《自然》上揭示睡莲基因组(图源:Nature)


2020年1月2日,福建农林大学张亮生教授及其合作者在《自然》(Nature)上正式出版了题为The water lily genome and the early evolution offlowering plants(睡莲基因组和早期开花植物的进化)的论文。


张亮生教授介绍项目实施过程及主要科学发现

 
“该项目2015年启动,至今有5年时间”,张亮生表示。在该研究中,研究者获得了蓝星睡莲的高质量基因组。由于睡莲独特的进化位置,其基因组与转录组结果展示了早期开花植物的进化特点和特征;同时解析了睡莲的花器官发育和花香花色调控基因,对园艺育种等应用具有重要参考价值。
 
具体来说,这项研究的主要发现有,“我们获得了蓝星睡莲的高质量基因组,通过系统发育组分析显示睡莲和无油樟属于早期被子植物类群,支持无油樟是最早的被子植物类群,通过基因组和转录组分析,睡莲科祖先发生了一次基因组加倍事件,这个事件可能在睡莲目祖先发生的;其次,睡莲的ABC基因在各个花器官中具有广泛的表达谱,而ABC基因在单子叶和核心双子叶中具有严格的表达模式,表明早期被子植物的ABC基因可能具有广泛的表达,只是在单子叶和核心双子叶中严格表达,是后期进化出来的。睡莲的ABC基因表达情况可能也解释了萼片和花瓣没有真正意义上的分化,与被子植物花的祖先相似;最后,睡莲有花色和花香,我们推测了它们的合成途径基因。通过比较自然变异的白色花瓣蓝星睡莲与蓝色花瓣的转录组,发现两个重要基因可能编码蓝色花瓣合成途径关键酶。睡莲的花香有11种成分,主要是萜类和脂肪酸等,其中合成倍半萜基因与单双子叶中已知基因不一样。我们鉴定了一个在花瓣中高表达的脂肪酸合成酶同源基因,在酵母中检测到其具有催化的活性。”张亮生对“赛先生”表示。
 
南京农业大学校长陈发棣表示,“该研究在睡莲基因组及花色、花香重要观赏性状分子机制方面取得的新突破,对我国观赏园艺领域物种起源演化及重要性状的基础研究具有重要的推动作用,为其他园艺作物复杂基因组解析提供了借鉴。”
 
中国农科院花卉所、白菜基因组创新团队首席专家王晓武表示,“通过睡莲基因组研究其花器官发育ABCE模型以及花色花香的合成途径,揭示了早期被子植物的一些进化特征,特别是发现睡莲基因组多倍化对睡莲的起源和广泛分布有贡献,加深了我们对多倍化的认识。”
 
花器官的发育由ABCE四类转录因子相互作用来控制的,张亮生博士生期间的导师马红教授是C类基因的主要发现者之一。“这次在睡莲基因组研究的合作,谱写了一曲师生合奏的新乐章。”中科院遗传发育所研究员杨维才表示。

睡莲是理想的模式物种

睡莲目中蓝星睡莲,因其基因组小,只有400M,在海南3-4个月就能完成整个生活史;此外睡莲种子多,一个果实里有几千粒种子。蓝星睡莲的这些特点是十分理想的模式植物。
 
此外,睡莲目是早期被子植物类群,对于研究被子植物的起源和早起进化具有特殊的意义。睡莲具有花色花香,而模式植物拟南芥和水稻几乎没有花色花香而无法开展相关研究,通过睡莲可以开展花色花香研究。花色花香是园艺植物非常重要的性状,了解背后的分子机制是分子遗传育种的基础。
 
至于今后还有哪些工作需要完成?张亮生对“赛先生”表示,“鉴定到的两个蓝色花瓣基因需要进一步验证,我们是不是可以改变已发现的两个基因就可以使白色花瓣变成蓝色花瓣,此外还有其它许多工作值得做一做。”

相关论文

Zhang, L. et al.The water lily genome and the early evolution of flowering plants. Nature 577, 79-84,doi:10.1038/s41586-019-1852-5 (2020).

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