香蕉、椰子、水稻、玉米的祖先是如何演化的？

香蕉、蘆筍、椰子這樣的重要園藝作物亦或是水稻、小麥、玉米等大宗糧食作物，它們都屬于單子葉植物。單子葉植物是被子植物重要的分支之一，約占被子植物物種多樣性的五分之一。

近日，中國科學院武漢植物園研究團隊與法國合作者公布了單子葉植物最早期分支菖蒲目中的重要水生藥用植物石菖蒲的基因組，研究揭示了單子葉植物祖先早期基因組演化過程和規律，相關成果發表于《自然-植物》。

石菖蒲  石濤供圖

單子葉植物的形態特征比如根、葉脈等，明顯區別于其它被子植物，它祖先的早期起源是植物演化生物學關注的熱點問題之一。

最早的單子葉植物化石記錄可以追溯到白堊紀早期。論文第一作者、武漢植物園副研究員石濤介紹，許多基部單子葉植物，比如菖蒲目、澤瀉目、水鱉目等，大多都是水生、濕生植物，因此，有科學家提出，單子葉植物祖先起源于水生環境。然而，這一推測始終缺乏古生物學和基因組演化的證據支持。

“菖蒲目是單子葉植物中現存最早的分支類群，與其它所有單子葉植物互為姐妹類群。” 石濤表示，這一特殊“地位”使得菖蒲目物種成為了探討和揭示單子葉植物早期演化過程的重要材料。

在這項研究中，武漢植物園與法國國家農業食品與環境研究院合作，利用PacBio和Hi-C技術完成了石菖蒲全基因組測序和染色體水平的組裝。研究人員通過與其他單子葉植物的全基因組比較分析發現，石菖蒲僅經歷過1次獨立的古多倍化事件并伴隨有亞基因組優勢效應。

“在單子葉植物輻射分化過程中，全基因組重復或古多倍化現象十分普遍，它也被認為是推動物種多樣化和適應環境的關鍵機制之一。”石濤解釋，古多倍化數量越多，物種多樣性就越高。

研究還發現，石菖蒲基因組結構演化和氨基酸序列替換速率都表現出了緩慢和保守的特征。石濤表示，這也印證了研究團隊此前的推測，越是基部物種，演化越是保守。

進一步的相關性分析顯示，各物種基因組共線性結構的相對保守性與其序列替換速率和基因組加倍次數顯著相關，石濤認為，這也可能是石菖蒲基因組結構演化相對較慢的原因。

此外，科研人員找到了一些重要功能基因家族演化事件，它們與單子葉植物早期形態演化和適應濕地或水生生境相關。

石濤舉例，過去的研究證明擬南芥中的DOT3基因如果功能缺失，會導致幼苗和初生根生長方面存在缺陷，并在幼葉中產生異常的平行脈紋。“而如今我們發現，這個基因在單子葉植物和水生睡蓮目植物中都發生了丟失，這可能與這兩個類群的平行/掌狀葉脈和初生根退化等特殊性狀相關。”

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-022-01187-x