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從基因看蕨類植物的演化史：石松科的時間之謎

扁枝石松。圖片來源：維基百科

 

同孢子石松類植物（homosporous lycophytes）在植物演化樹上占有重要地位，是早期陸地植物的關鍵群體，但過去對於其基因組結構和演化過程的了解卻相對有限。

最近發表的研究，探討了同孢子石松類（一類蕨類植物）的基因組結構，特別是在全基因組複製（whole genome duplication, WGD）的背景下，這些基因組如何隨時間演變。研究對象為兩種同孢子石松類植物：異倍體的長白石杉（Huperzia asiatica，研究團隊發現它含有兩種不同的基因體）和二倍體的扁枝石松（Diphasiastrum complanatum）。研究團隊發現，儘管這兩個物種在約3億5千萬年前就已分道揚鑣，但仍保留著約30%的基因在同源性基因區塊（syntenic blocks，指在不同物種的基因組中，一系列基因保持著相同的鄰近排列順序）中。這一發現意味著這些植物在基因組演化上相對緩慢，這與異孢子石松類植物（Selaginellaceae和Isoetaceae）形成鮮明對比，後者的基因組進化速度更快，且核苷酸替換率更高。

研究中對長白石杉和扁枝石松的基因組進行了染色體的組裝，估算它們的基因組大小分別約為7.80Gb和1.6Gb。長白石杉的基因組被組裝成138個偽染色體，而扁枝石松的基因組則被組裝成23個偽染色體。兩者的基因組都顯示出了高度的同源性基因區塊保留，這些同源性基因區塊在兩個基因組中分別涵蓋了約26%到36%的基因。

此外，研究團隊還發現，長白石杉基因組中沒有明顯的次基因組優勢（subgenome dominance，指在異倍體（polyploid）植物中，異倍體形成後，一個或多個來源基因組（subgenomes）在基因表現、基因保留或功能上顯示出相對於其他來源基因組的優勢。），這與多數異倍體植物形成對比。在長白石杉中，保留下來的同源基因對在表現上沒有顯著差異，即使在進行基因組重組和基因丟失的過程中，這種平衡仍然保持得相當好。

這項研究填補了有關陸地植物演化的一個長期存在的空白，並且提供了早期維管束植物歷史的新見解，這些植物的基因組結構和演化提供了對於植物基因組多樣性和進化的深入理解。特別是，這項研究突顯了同孢子和異孢子石松類植物在基因組演化上的重要差異，這可能與它們不同的生殖策略和生態位相關聯。

參考文獻：

Li C, Wickell D, Kuo LY, Chen X, Nie B, Liao X, Peng D, Ji J, Jenkins J, Williams M, Shu S, Plott C, Barry K, Rajasekar S, Grimwood J, Han X, Sun S, Hou Z, He W, Dai G, Sun C, Schmutz J, Leebens-Mack JH, Li FW, Wang L. Extraordinary preservation of gene collinearity over three hundred million years revealed in homosporous lycophytes. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Jan 23;121(4):e2312607121. doi: 10.1073/pnas.2312607121. Epub 2024 Jan 18. PMID: 38236735.
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