真·铁树开花丨Nature子刊封面故事解读，它的完整基因组图谱首次发布

2022-04-22 18:30:06 来源：今日健康网作者：分享：

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　　苏铁是地球上现存最古老的种子植物，是著名的“活化石”植物。它的起源可以追溯到大约3亿年前，在侏罗纪时代达到最盛期，曾与恐龙一起称霸整个地球。

苏铁经历过两次大灭绝、数轮冰川期等诸多考验，在这个星球上存活了亿万年，今天却已处于濒危边缘。目前，苏铁被世界自然保护联盟红色名录列为极度濒危物种，也是我国国家一级重点保护植物。2008年，中国政府主导完成的第一个“珍稀濒危植物回归”项目，便是关于苏铁保护。

∆Nature Plants官网截图

∆复习一下植物分类知识

∆2017年国家基因库深圳市仙湖植物园活体库揭牌仪式

本次研究选取苏铁现存的一些重点科学问题作为主要研究方向，下文摘选其中几点进行介绍。

01 溯源认祖，重建家谱

现在我们看到的苏铁，大多是近期几次辐射演化的后代，共有2科10属。研究团队基于现存苏铁目339种植物的转录组数据，重建了苏铁类自身的系统发育关系，确定了苏铁演化的完整历史。分子钟分析表明，现存苏铁的多样化同步发生于距今1100至2000万年之间，是中新世以来气候剧烈变化的结果。

此外，关于裸子植物的共同祖先是否经历了全基因组加倍事件一直存在争议。研究发现，伴随着种子植物起源，许多关键创新性状如种子发育、花粉、次生生长相关的基因家族均发生了创新或扩张。在种子植物的祖先节点共发现663个新获得的基因家族和368个扩张的基因家族，推断现存裸子植物的最近共同祖先可能经历了一次古老的全基因组复制事件。

02 种子有毒，但能造福

研究团队在攀枝花苏铁基因组中发现一种细胞毒素蛋白基因（fitD），该基因起源于细菌，通过水平基因转移的方式转移到真菌和苏铁中。基于苏铁类339个物种转录组数据，研究发现该毒素蛋白只在苏铁中存在，且在苏铁种子和根部高表达，目前尚未在其它植物中发现。

虽然毒性限制了苏铁的食用功能，但不妨碍它在人类社会发挥用处。据深圳仙湖植物园张寿洲教授介绍，“本次发现的毒性蛋白能够杀死一些常见昆虫，如棉铃虫、小菜蛾等，目前已通过基因重组技术将其成功应用于棉花，事实证明其杀虫效率比现有抗虫棉更高，可在棉花种植中进行推广。此外，该毒性蛋白的植物性来源，也使其对玉米等农作物具有更安全、更高的保护性。”

03 性别疑问，基因辨认

研究团队通过对62株雌雄苏铁群体（源于四川攀枝花苏铁国家级保护区）进行测序分析，在雄株的Y染色体中找到了雌雄表达差异最大的一个基因，该基因编码一个MADS-box转录因子，推测其调控雌雄苏铁的性器官发育。该转录因子的同源基因也仅能在雄株基因组中检测到，说明了该性别决定机制在苏铁类植物中的保守性。

苏铁在性别方面还有一个特别的地方，其雄株的精子体积是所有生物中最大的，且保留有鞭毛，能够在花粉管的液体内自由游动。现生种子植物中，只有苏铁和银杏保留有这种特征。研究发现，苏铁和银杏均保留了大量鞭毛组装所需基因。此外，与鞭毛行使功能密切相关的外周致密纤维合成基因（ODFs），只在苏铁和银杏基因组中存在，在其它种子植物中则全部丢失。这也进一步证实了苏铁在种子植物演化中古老的地位。

除了在上述农业方面具有可观的应用前景之外，苏铁还有着很多待研究发掘的实用价值，譬如药用价值上，苏铁全身均可入药，叶片提取物有抗癌活性，在治疗癌症、艾滋病、肝脏疾病等多种疾病的药物中均有应用。此次研究在苏铁种子储存蛋白中发现的营养功能、抗菌功能等，也无一不预示着苏铁将为生态保护、人类生活与健康带来更多可能性。

<p data-track="38" font-size:18px;white-space:normal;background-color:#ffffff;"="" style="box-sizing: border-box; margin-top: 20px; margin-bottom: 20px; font-family: "Microsoft YaHei", Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14px; white-space: normal; text-align: justify; padding: 0px; border: 0px; color: rgb(34, 34, 34);">深圳华大生命科学研究院刘阳、王思博、李林洲、杨婷、魏桐，深圳仙湖植物园董珊珊，兰州大学武生聃等为该论文共同第一作者。深圳仙湖植物园张寿洲，深圳华大生命科学研究院刘欢，中科院昆明植物所龚洵，美国佛罗里达大学Douglas E. Soltis，比利时根特大学Yves Van de Peer为论文共同通讯作者。该项目得到深圳市城市管理和执法局科研专项（No.201916，202019，202105）、国家重点研发计划（2019YFC1711000）、生态环境部生物多样性调查与评估（2019HJ2096001006）等基金支持。