雨后的石階上、老樹根的縫隙里，那層軟軟的苔蘚總給人“柔弱”的印象——沒有結(jié)實(shí)的表皮，沒有鋒利的尖刺，甚至連真正的根都沒有。可你是否想過：為什么這些“小不點(diǎn)”能在潮濕陰暗、微生物扎堆的地方生長(zhǎng)，卻很少生病腐爛？它真的是植物界里原始又簡(jiǎn)單的小角色嗎？

近日，由深圳市仙湖植物園、武漢華大生命科學(xué)研究院和基因組多維解析技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)銜，一個(gè)匯集了全球33家機(jī)構(gòu)47位科學(xué)家的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)，在全球著名學(xué)術(shù)期刊《自然-遺傳學(xué)》（

Nature Genetics

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研究團(tuán)隊(duì)對(duì)覆蓋47個(gè)苔蘚植物目級(jí)代表的123個(gè)物種（包括苔類、蘚類和角苔類）進(jìn)行了高質(zhì)量的基因組測(cè)序，并建立了全球首個(gè)苔蘚“超級(jí)泛基因組”平臺(tái)（www.bryogenomes.org），相當(dāng)于為苔蘚家族搭建了一個(gè)前所未有的“基因圖書館”，填補(bǔ)了陸生植物譜系中的巨大空白。

新測(cè)序的123個(gè)苔蘚植物系統(tǒng)樹和基因組特征

全球首個(gè)苔蘚“超級(jí)泛基因組”平臺(tái)

一篇發(fā)表在《自然-遺傳學(xué)》上的評(píng)論文章表示：“這項(xiàng)里程碑式的成果為未來苔蘚基因組學(xué)研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，開啟了陸生植物基因組演化研究的新篇章。”

苔蘚的基因“工具箱”：

種類多，創(chuàng)新性強(qiáng)

通過深入分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，盡管單個(gè)苔蘚植物的基因組可能不大，但它們基因家族的種類總量卻遠(yuǎn)超維管植物。苔蘚非冗余的基因家族有近64.7萬種，而維管植物只有約37.3萬種。

而且，苔蘚植物中“特有”及“譜系特異”基因家族的數(shù)量平均是維管植物的兩倍以上。這些基因家族不僅結(jié)構(gòu)獨(dú)特，功能也與苔蘚能在嚴(yán)酷環(huán)境中生存息息相關(guān)，例如耐旱、抗紫外線及抗病菌等。

苔蘚的“獨(dú)門基因”

是怎么來的？

苔蘚之所以能擁有如此豐富的基因家族多樣性，主要靠?jī)煞N“神操作”：

自己“從頭造”。就像把廢棄的“毛坯房”改造成功能齊全的“基因公寓”一樣，苔蘚能把基因組里那些原本不是基因的非編碼區(qū)，通過長(zhǎng)年累月的演化，逐步改造成全新的、有功能的基因。這一現(xiàn)象此前主要在水稻、竹子等開花植物中被報(bào)道過。本研究首次將苔蘚植物納入新基因起源的研究范疇。

從微生物那里“抄”。苔蘚還是生物界的“基因搬家”高手，它們能直接從細(xì)菌、真菌、病毒等微生物那里“借用”有用的基因，這在科學(xué)上叫做“水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）”。

研究顯示，苔蘚植物每個(gè)基因組平均包含約229個(gè)來源于細(xì)菌、真菌、病毒等的“外源基因”，顯著高于維管植物的平均163個(gè)。并且與維管植物中多數(shù)HGT基因主要繼承自遠(yuǎn)古的陸地植物祖先不同，苔蘚的HGT事件貫穿于其演化歷程的各個(gè)階段。

a) 綠色植物在不同進(jìn)化節(jié)點(diǎn)獲得的水平轉(zhuǎn)移基因家族數(shù)量；b) 各類群中水平轉(zhuǎn)移基因家族的累計(jì)數(shù)量

苔蘚植物獨(dú)特的

抗蟲抗病“武器”

研究結(jié)果揭示了苔蘚植物中一個(gè)源自真菌的抗蟲蛋白基因家族的演化歷史。這種抗蟲蛋白（FBT）具有顯著的殺蟲活性，且分子量小、水溶性高，顯示出良好的應(yīng)用潛力。為了驗(yàn)證其效果，研究人員對(duì)該蛋白進(jìn)行了原核表達(dá)和純化，并進(jìn)行了昆蟲毒性試驗(yàn)。結(jié)果證實(shí)，該蛋白對(duì)棉鈴蟲具有高效的毒殺作用，并能顯著抑制草地貪夜蛾的生長(zhǎng)。這一發(fā)現(xiàn)揭示了FBT蛋白基因家族在農(nóng)業(yè)抗蟲領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

a) 水平轉(zhuǎn)移的FBT毒蛋白基因演化歷史；b–e) FBT毒蛋白對(duì)草地貪夜蛾和棉鈴蟲的昆蟲毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

更令人驚喜的是，研究還發(fā)現(xiàn)了苔蘚植物獨(dú)特的免疫系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)在苔蘚植物基因組中發(fā)現(xiàn)了3類全新的抗病基因受體，這些基因就像植物免疫系統(tǒng)的“哨兵”，能精準(zhǔn)識(shí)別病原體的入侵并拉響警報(bào)。為了驗(yàn)證其功能，團(tuán)隊(duì)將這些基因轉(zhuǎn)入煙草中，并成功證實(shí)了它們能激活煙草的防御反應(yīng)，表現(xiàn)出抗病活性。

與維管植物相比，苔蘚植物的免疫系統(tǒng)具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與功能，其抗病基因的多樣性與創(chuàng)新性為深入探討植物—病原體互作機(jī)制提供了新的切入點(diǎn)。這些新發(fā)現(xiàn)的抗病基因有望成為培育高抗病性農(nóng)作物品種的重要基因資源，從而提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性與可持續(xù)性。

這項(xiàng)研究不僅改變了我們對(duì)苔蘚這種古老植物的認(rèn)知，也證明了植物的演化之路并非只有“變得高大復(fù)雜”一種。苔蘚通過獨(dú)特的“基因創(chuàng)新”和“基因借用”策略，同樣能成為地球上分布最廣、適應(yīng)能力最強(qiáng)的植物類群之一。本研究也為農(nóng)業(yè)抗逆基因篩選、環(huán)境恢復(fù)和生態(tài)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用提供了關(guān)鍵的基因資源。

下次再看到路邊、墻角那層不起眼的綠色“絨毯”時(shí)，不妨多看它一眼——那小小的身體里，正藏著跨越5億年演化而來的基因智慧，默默演繹著“以小勝大”的生存?zhèn)髌妫?/p>

本研究主要合作單位包括深圳市仙湖植物園、深圳大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、比利時(shí)根特大學(xué)、澳大利亞莫納什大學(xué)、美國(guó)康涅狄格大學(xué)等機(jī)構(gòu)。仙湖植物園董珊珊，武漢華大生命科學(xué)研究院和基因組多維解析技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王思博、李林洲、余進(jìn)，深圳大學(xué)張永夏，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)薛佳宇為該文章的共同第一作者。仙湖植物園和華大生命科學(xué)研究院劉陽、劉歡，比利時(shí)根特大學(xué)Yves Van de Peer，澳大利亞莫納什大學(xué)John L. Bowman為文章共同通訊作者。

本課題得到深圳市城市管理和綜合執(zhí)法局科研專項(xiàng)（No. 202005, 202302, 202403），國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2023ZD04073）和10KP計(jì)劃等基金支持。

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