北京市农林科学院生物所杨效曾团队揭示被子植物中果聚糖趋同进化的遗传基础

　　近日，北京市农林科学院生物所杨效曾团队在植物学权威期刊《New Phytologist》（IF2021=10.313）上发表题为“Insights into the convergent evolution of fructan biosynthesis in angiosperms forbid the highly characteristic chicory genome”的研究成果。该研究在组学层面揭示了菊科植物与其它被子植物在果聚糖积累方面的趋同进化现象，为果聚糖在植物发育、适应和生物多样性中的关键作用提供了新的见解。

 

　　果聚糖在被子植物中广泛存在，目前发现其主要存在于菊科（如菊苣、生菜）、天门冬科（如洋葱）、禾本科（如大麦、小麦）、龙舌兰科等植物中。菊科植物尤为特别，菊糖（果聚糖的一种形式）取代淀粉成为菊科植物能量的主要存储形式。菊苣（Cichorium intybus L.）又是菊科植物中菊糖含量高的典型代表，菊糖可占到其根干重的70%，因此，菊苣成为工业果聚糖的重要来源，也是研究果聚糖生物合成的模式物种。

 

　　通过结合多种测序技术，该研究完成了菊苣高质量基因组组装和注释，并详细解析了菊苣中果聚糖的合成途径。通过对33个具有代表性被子植物的比较基因组分析，研究发现如上所述的含有果聚糖的类群尽管进化关系较远，但其具有类似的果聚糖代谢机制，即通过一系列GH32基因家族的果聚糖代谢酶（FAZY）完成果聚糖合成与分解。更进一步，通过比较不同类群GH32家族的氨基酸序列，并对这些蛋白质的三级结构进行建模，发现含有果聚糖的植物中相同关键位点上的突变导致了它们独立进化出了果聚糖代谢酶。这是典型的一种趋同进化现象。

 

　　果聚糖是果糖的高聚体，水溶性强，植物可以通过果聚糖的合成与分解调节细胞内渗透压，从而提高对环境的适应性。研究进一步推测菊科和禾本科在分化后的相似时间（近白垩纪-古近纪边界）进化出果聚糖生物合成途径，有可能在它们的适应和进一步的生物多样性中发挥重要作用。

 

　　同时，该研究详细描绘了菊苣基因组成分、DNA 甲基化和三维 （3D） 结构，连续爆发反转录转座子 （LTR-RTs） 家族高占比的基因组特征，并破译了菊苣中丰富的倍半萜含量的遗传基础，为菊苣基础研究和育种应用提供了重要的数据。

 

　　生物所申飞博士，中国科学院大学联合培养博士生何昊为论文共同第一作者，杨效曾研究员为论文通讯作者。该研究得到北京市农林科学院基因组学协同创新中心、创新能力建设、院优秀青年基金等项目的资助。文章全文链接为： https://doi.org/10.1111/nph.18796