多次的全基因组重复事件可能促成古代和近代蕨类植物的崛起

来源：JIPB

研究团队：黄建勋、齐新萍、陈铎元、戚继、马红

复旦大学生命学院黄建勋副研究员、齐新萍博士、陈铎元同学、戚继教授联合美国宾州州立大学马红教授，在JIPB发表了题为《多次全基因组重复事件可能促进古代和近代蕨类植物的崛起》(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)的研究论文。

蕨类植物起源于约4亿年前，是维管植物第二大类群。在被子植物出现前，蕨类在古地球植被中占据主导地位，而现代蕨类植物尽管没有被子植物的多样性丰富，仍在当前生态系统中占有重要地位。本研究中，作者利用近期该实验室建立的蕨类植物物种关系，通过分析大批基因家族进化树，检测到19个蕨类全基因组重复事件，并确定了相关蕨类植物类群。特别是有三个重复事件发生在约一亿到三亿年前，影响到66-97%的现存蕨类植物，另外有八个目的祖先也都有重复事件。之所以现在能够检测到这些古代基因组重复事件，是因为相关蕨类植物类群存活到了今天，暗示它们在进化过程中与其他蕨类植物类群相比具有一定优势，并且保留了相当多的相关重复基因。基因功能富集分析发现，几乎所有全基因组重复事件保留的基因中，富集了色素积累和分子转导活性（包括信号受体活性和磷酸化反应调节活性）等相关功能，还有约一半重复事件中的基因富集了解毒和抗氧化活性相关过程。这些功能可能有助于蕨类植物适应白垩纪后新的、阴凉的栖息地。我们也比较了蕨类植物姊妹类群的物种分化速率与全基因组重复事件次数，发现在九成以上的情况下，全基因组重复发生多的分支，其物种分化速率也高。最后，我们估算了基因组重复发生的年代，得知15个重复事件都发生在白垩纪或很相近的时期。

根据一篇新发表的植物化石文献，在白垩纪晚期，蕨类和裸子植物的多样性在大量降低，而被子植物物种丰富度在同期则降低较少，最终导致蕨类及裸子植物长久的称霸时期在这段时间被被子植物所取代。我们推测，多次全基因组重复或许能增加蕨类在这段逆境时期下适应新环境的能力，避免了灭绝的命运。然而，蕨类在白垩纪中终究比不上被子植物的扩张，这很可能是由于被子植物具有的其他优势，使其在逆境中恢复的更快，比如被子植物的花提供多样的授粉方式以缩短受精的时间，果实为种子提供保护与帮助传播，种子为胚胎提供了保护、同时赋予其萌发的养分。总而言之，我们的结果显示全基因组重复有助于蕨类物种分化，但影响物种多样性的并不只有全基因组重复，包括关键性状的产生、与其他类群的共同演化等因素也可能起到重要的作用。这项研究为蕨类植物中多次出现的全基因组重复提供了分子证据，并为蕨类植物基因组进化等进化生物学研究提供了重要线索与信息。