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科研动态

我所科研人员在南极苔藓基因组进化研究方面取得进展

时间:2022.11.01 来源:生态中心 字号

我所科学家在南极苔藓植物的基因组进化和极端环境适应机制研究方面取得新认识,研究成果以“The Antarctic Moss Pohlia nutans Genome Provides Insights Into the Evolution of Bryophytes and the Adaptation to Extreme Terrestrial Habitats”为题发表于学术期刊《Frontiers in Plant Science》(SCI二区TOP期刊,IF=6.627,https://doi.org/10.3389/fpls.2022.920138),是国际上首个正式发表的关于南极苔藓植物的基因组测序、组装和分析的研究文章。

苔藓植物是南极大陆分布最广、数量最多的高等绿色植物,在西南极的菲尔德斯半岛和东南极的风车岛等分布有大面积的苔藓植物。最近的研究表明,南极大陆上的植物可能是独立起源于古代陆生植物,并与南极大陆以外的植物已经分离长达千万年之久。鉴于苔藓植物拥有从水成到陆生过渡中的关键进化特征,南极苔藓植物被认为是研究植物系统进化和极端环境适应机制的新模式系统。然而,对南极苔藓基因组特征和极端环境的适应过程仍知之甚少。

本研究利用高通量测序技术对一株南极黄丝瓜藓进行了全基因组测序和组装,其基因组大小为698.20Mb,组装得到22条染色体,共编码40905个基因。南极黄丝瓜藓的基因组重复序列以转座元件(散在重复序列)为主,占整个基因组序列的63.79%;其中,最多的是长末端重复序列,占基因组序列的27.78%。根据基因同义置换率值和全基因组共线性分析,发现南极黄丝瓜藓发生了距今较近的全基因组复制事件,预测该基因组复制事件发生在距今约5.85百万年。大家通过不同物种间的比较基因组分析发现,南极黄丝瓜藓基因组中分别有7807和635个基因家族分别发生了显著扩张和收缩,扩张的基因家族主要参与了代谢物合成和环境适应。其中,与逆境胁迫相关的转录因子、DNA光修复酶、抗氧化酶、类黄酮生物合成酶等基因家族发生显著扩张,并且发现它们在多种胁迫条件下显著上调表达。此外,通过转录组学和代谢组学技术联合分析发现类黄酮物质在南极黄丝瓜藓适应强紫外辐射等极端环境中发挥关键作用。总之,基因组最大、编码基因的数量最多、重复序列的比例最高、距今较近的基因组加倍事件和与逆境胁迫相关的基因家族扩张是南极黄丝瓜藓基因组的典型特点,将有助于基因功能的分化、新功能的产生,以适应外界环境。本研究首次对南极陆地生态系统最主要的高等绿色植物进行了基因组适应性进化研究,揭示了南极苔藓植物基因组水平适应极端环境的分子机制。

本研究获得了国家自然科学基金面上项目和中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目等资金支撑。论文由我所海洋生态研究中心、自然资源部海洋生态环境科学与技术重点实验室刘胜浩、赵林林等科研人员共同完成。

南极黄丝瓜藓(Pohlia nutans)基因组特点



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