近日，陜西省西安植物園植物多樣性研究中心副研究員商慧穎聯(lián)合蘭州大學(xué)楊勇志教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際植物學(xué)權(quán)威期刊《The Plant Journal》發(fā)表重要成果，成功組裝了全球首個(gè)莼菜(Brasenia schreberi)端粒到端粒(T2T)高質(zhì)量基因組，并系統(tǒng)揭示了其在基因組結(jié)構(gòu)演化、環(huán)境適應(yīng)及特殊代謝特征背后的分子機(jī)制。

1. 突破性組裝：首個(gè)高質(zhì)量T2T基因組圖譜

莼菜隸屬于古老的睡蓮目，具有重要的演化地位及經(jīng)濟(jì)生態(tài)價(jià)值。研究團(tuán)隊(duì)整合PacBio HiFi、Oxford Nanopore超長(zhǎng)讀長(zhǎng)及Hi-C技術(shù)，克服了高雜合與重復(fù)序列的挑戰(zhàn)，構(gòu)建了總長(zhǎng)1.10 Gb的T2T基因組。該基因組包含36條完整染色體(2n=72)，其中33條實(shí)現(xiàn)無(wú)缺口組裝，BUSCO完整性高達(dá)96.4%，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際參考級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2. 顛覆性發(fā)現(xiàn)：獨(dú)特的端粒重復(fù)序列

研究首次鑒定出莼菜全部72個(gè)端粒與36個(gè)著絲粒，并發(fā)現(xiàn)其端粒重復(fù)序列為 (AAAGGATAAGAC)n。這一序列顯著區(qū)別于絕大多數(shù)開(kāi)花植物通用的 (TTTAGGG)n 序列，打破了以往對(duì)植物端粒保守性的固有認(rèn)知，為植物端粒序列的演化多樣性提供了關(guān)鍵新證據(jù)。

3. 演化歷史：基因組加倍驅(qū)動(dòng)水生適應(yīng)

通過(guò)共線性分析，團(tuán)隊(duì)揭示了莼菜復(fù)雜的演化歷程：除與睡蓮科共享一次古老的完全基因組復(fù)制(WGD，約1.11億年前)外，還經(jīng)歷了兩次譜系特有的加倍事件。這些大規(guī)模變異驅(qū)動(dòng)了抗逆基因家族的顯著擴(kuò)張。特別是缺氧響應(yīng)核心因子(ERF-VII轉(zhuǎn)錄因子)在莼菜中擴(kuò)增至19個(gè)拷貝(遠(yuǎn)超擬南芥的5個(gè))，結(jié)合乙烯信號(hào)通路及水通道蛋白的富集，闡明了莼菜應(yīng)對(duì)水下低氧環(huán)境的核心演化策略。

4. 獨(dú)特性狀：黏膠質(zhì)合成與花器官發(fā)育機(jī)制

· 黏膠質(zhì)合成機(jī)制： 研究首次解析了莼菜幼葉表面“果凍狀”黏膠質(zhì)的合成路徑。發(fā)現(xiàn)其采用獨(dú)特的能量分配模式：成熟浮水葉通過(guò)光合作用生產(chǎn)蔗糖，經(jīng)SUC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白輸送至水下幼葉，轉(zhuǎn)化為前體GDP-葡萄糖，最終由糖基轉(zhuǎn)移酶催化合成富含多糖的黏膠質(zhì)，以抵御機(jī)械損傷與微生物侵染。

· 花部同源演化： 針對(duì)莼菜花器官(萼片、花瓣、雄蕊、雌蕊)顏色均一的特征，研究發(fā)現(xiàn)花青素合成基因(如CHS、DFR)及MADS-box基因在各器官中均維持高表達(dá)。這一結(jié)果支持了“花部同源演化”假說(shuō)，證明莼菜保留了早期被子植物花器官分化前的原始狀態(tài)。

本研究不僅填補(bǔ)了古老水生植物基因組信息的空白，更為理解被子植物早期演化、水生環(huán)境適應(yīng)機(jī)制提供了重要線索，也為莼菜的種質(zhì)資源保護(hù)與分子育種奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

圖1. 基因組進(jìn)化分析

圖2. 莼菜多糖生物合成通路和糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及轉(zhuǎn)錄因子的識(shí)別

圖3. 莼菜的花發(fā)育及花青素合成相關(guān)基因分析