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近日，国际知名期刊Advanced Science（最新IF=15.80）在线发表了由新加坡国立大学、中国农业科学院生物技术研究所、西南大学等单位与北京百迈客生物科技有限公司共同合作文章“Mesostigma viride Genome and Transcriptome Provide Insights into the Origin and Evolution of Streptophyta”。 新加坡国立大学俞皓教授、中国农业科学院生物技术研究所谷晓峰研究员和张芃芃研究员、福州大学韩霄教授为本文通讯作者，百迈客生物科技有限公司纪长绵与新加坡国立大学梁哲博士、中国农业科学院生物技术研究所耿玉珂博士以及西南大学杜海副教授为本文第一作者。本研究借助二代、三代PacBio和光学图谱的方法，组装获得了最古老的单细胞轮藻Mesostigma viride高质量的基因组。通过比较基因组以及转录组分析，发现单细胞轮藻已经拥有了大量和陆生植物性状相关的遗传信息，同时陆生植物从单细胞轮藻中继承了很多“遗传工具”，该研究揭示了植物从单细胞到多细胞的进化历程与陆生植物的起源。 多细胞生物是最为重要的进化创新之一，比较多细胞生物及其近源单细胞生物的基因组和细胞特征，对了解多细胞生物在真核生物中的进化有重要意义。但是，从单细胞轮藻到多细胞的轮藻和陆生植物的进化机制，目前尚未可知。 绿色植物可分为两个门，一类是链形生物，包括营淡水生轮藻和所有陆生植物，另一类是绿藻。其中，轮藻植物较为复杂，有单细胞的，也有多细胞的，其中两个主要的谱系Mesostigma和 Chlorokybus是最早分化的链形生物。多细胞轮藻与陆生植物关系最近，所以多细胞轮藻包含很多与陆生植物相同的生物特征。 目前，所有得到基因组的链形生物均为多细胞轮藻和陆生植物，仍没有单细胞轮藻基因组报道，这不利于研究植物的多细胞化进程。Mesostigma viride是一种细胞表面覆有篮子状鳞屑的无细胞壁的单细胞轮藻，是最早分化的链形植物之一，这使得Mesostigma viride成为研究多细胞生物的进化和陆生植物起源的理想材料。 图1 Mesostigma viride的细胞结构 Mesostigma viride的品系NIES-296。 1、Mesostigma viride细胞结构； 2、Mesostigma viride基因组测序、组装及注释； 3、不同处理条件下Mesostigma viride基因组表达分析； 4、Mesostigma viride与绿藻、轮藻、陆生植物的比较基因组分析； 5、Mesostigma viride全基因组甲基化分析。 1、Mesostigma viride基因组组装 基于162x Illumina数据、113x PacBio数据和113x的光学图谱数据，组装得到Mesostigma viride的基因组，基因组大小442Mb，scaffolds数量为2363个，N50为2.6Mb。BUSCO评估基因组完整度为90.1%，预测得到24431蛋白编码基因。 表1 Mesostigma viride基因组组装结果 2、基因组进化 与选择的18个绿色植物相比，Mesostigma viride基因组中接近一半的基因为该物种特异基因，其他物种都不含这些基因。在进化树上，Mesostigma viride处在链形植物的基部分枝，这再一次验证了它是最早分化的绿色植物。基因家族数量变化表明，基因家族的数量与物种形态的复杂性似乎为相关，比如从单细胞的Mesostigma viride到多细胞的Klebsormidium nitens，从布氏轮藻到地钱、小立碗藓等无维管束的早期分化陆生植物，从无维管束的早期分化陆生植物到开花植物，基因家族的数量都呈现出净增长。同时发现，从单细胞Mesostigma viride到多细胞Klebsormidium nitens的进化过程中，转运相关基因家族数量显著增多，从而增加了细胞间交流。另外通过比较基因序列相似性，发现Mesostigma viride与早期分化的陆生植物的基因序列相似度较绿藻植物更高，反映出Mesostigma viride与陆生植物更近，而和绿藻关系远。 图2 18个绿色植物基因组成及进化关系 3、基因组加倍和重复序列 Mesostigma viride基因组中含有大量片段重复，推测可能发生过全基因组复制事件。Mesostigma viride基因组重复序列占66.02%，其含量与多细胞轮藻C. braunii相似，但要显著高于早期分化的陆生植物地钱和小立碗藻。重复序列以LTR逆转录转座子为主，而且LTR序列较长，这也是为什么Mesostigma viride基因组相对于其他绿藻来说较大的原因。Mesostigma viride中的重复序列集中在内含子上，从而增加了其编码基因的平均长度，比较显示Mesostigma viride的基因长度比陆生植物要长。 图3 Mesostigma viride基因组中的片段重复 图4 Mesostigma viride基因组中重复序列 4、从单细胞到多细胞再到陆生植物的进化分析 4.1 轮藻与绿藻的分化 轮藻和绿藻是最早分化的绿色植物，它们在形态、生理和分子特征上存在差异。作者比较了多个轮藻与绿藻的基因组，发现轮藻中富集了很多与陆生植物相关的Go term，如种子萌发正调控、根发育、花序发育、气孔复合体等，而这些GO term在绿藻是没有的，这也再次验证了陆生植物起源于轮藻而非绿藻。表达层面分析显示，当外界环境发生变化时，Mesostigma viride中与陆生植物发育相关基因的表达量也会随着发生显著变化。 4.2细胞分裂与细胞壁合成 从单细胞轮藻到多细胞陆生植物的进化过程中，细胞分裂机制经历了很多适应性进化。作者分析了单细胞Mesostigma viride、多细胞K. nitens、多细胞C. braunii、拟南芥以及单细胞绿藻C. reinhardtii（前四个物种为链形植物，最后一个为绿藻）基因组与细胞分裂、细胞壁形成以及胞间交流相关的基因。虽然Mesostigma viride单细胞生物，但在其基因组中发现很多调控细胞成膜体、胞间交流的基因的同源基因，不过这些基因在Mesostigma viride中却不参与以上过程，而是有其他新功能。同时发现，很多与细胞壁合成相关的基因在多细胞轮藻和陆生植物基因组存在，但是在Mesostigma viride却不存在。 4.3转录调控 Mesostigma viride基因组中共有123个转录因子，这些转录因子可分为31个家族。大多数的转录因子是绿色植物共有的，但其基因家族个数却是已知链形生物中最少，这可能是由于它有着最简单形态结构。同时发现，Mesostigma viride的转录因子占所有蛋白编码基因的比例是所有已知链形生物中最低的（仅0.5%），这也证实了转录因子数量会随着有机体复杂性的增加而增加。另外，通过分析Mesostigma viride与陆生植物之间共有的转录因子，将有助于了解这类转录因子的祖先类型。 图5 Mesostigma viride基因组中的基因家族 4.4植物激素 前人研究显示，多细胞轮藻K. nitens中检测到生长素，脱落酸、细胞分裂素、茉莉酸等植物激素，说明植物激素在轮藻早期就已经存在。然而，在Mesostigma viride基因组中几乎没有找到这些植物激素合成基因的同源基因，同时基因组中也缺少调控激素转运、感知、信号传递的基因的同源基因，说明在基因层面Mesostigma viride并不具备合成植物激素的能力。但该结果却与在Mesostigma viride中检测到植物激素的结果相左，可想而知，在Mesostigma viride中存在的少数几个激素相关基因最初可能行使其他生物功能，在进化过程中被赋予了调控植物激素的新功能。 4.5表观调控 Mesostigma viride基因组中含有很多在真核生物中发现的与表观调控相关基因的同源基因，同时发现这些基因的表达水平会随着生长环境的变化而发生动态变化，说明绿色植物响应环境变化的表观调控现象至少在轮藻中就已经存在了。作者通过LC-MS/MS和WGBS方法分析了Mesostigma viride基因组5mC甲基化程度，发现5mC在基因组广泛存在，其中CG类型最为丰富，并且转录起始位点甲基化水平低，转录终止位点甲基化程度高。基因表达量与基因启动子甲基化水平相反，而与基因本身的甲基化成正相关，这也与陆生植物是一致的 图6 Mesostigma viride基因组中甲基化情况 4.6小RNA分析 通过分析Mesostigma viride基因组，发现其中有多个调控miRNA加工蛋白的直系同源基因，同时结合小RNA测序，也检测到多个pre-miRNA，对其中多个pre-miRNA及其靶基因的qPCR分析发现miRNA调控其靶基因的表达。以上结果说明miRNA的调控基因表达的机制是链形植物的古老特征。 图7 高低pH胁迫下Mesostigma viride基因组中特定miRNA的表达变化 4.7 RNA甲基化 m6A是真核生物中最为常见的mRNA表观修饰，但是作者在Mesostigma viride中没有检测到已知的m6A甲基化所需的直系同源基因，也没有检测到m6A的甲基化信号，暗示m6A甲基化对于单细胞生物来说是非必需的。 4.8 有性生殖 以减数分裂方式进行有性生殖被认为是真核生物的古老特征，在Mesostigma viride基因组中检索到了多个减数分裂特异蛋白基因，这暗示了有性生殖在链形植物早期分化的物种就已经存在。 5、环境胁迫响应 通过转录组分析，作者研究了不同环境胁迫（高低温、强弱光照、高低PH等）处理下Mesostigma viride转录组变化情况。 作者发现高温处理前后，大量基因出现表达差异，这些差异富集在很多生物过程（如氧化还原调节、蛋白质伴随和修复、DNA损伤检测和修复、麦芽糖、硫和辅酶代谢），Mesostigma viride表现出的细胞胁迫响应与所有生物体是一致的。但是，有一些陆生植物中存在的胁迫响应基因在多细胞轮藻K. nitens和高等分支轮藻中也有报道，但是在Mesostigma viride中却没有发现这些基因的同源基因，说明植物中一些典型的压力胁迫响应可能不存在于Mesostigma viride中。 光照胁迫下，鉴定得到一些差异表达基因，这些基因涉及到光合作用、光系统II组装、叶绿素生物合成过程和类囊体膜组织等过程，同时作者在Mesostigma viride中也检测到了光依赖性光合活性的主要蛋白，以上结果说明陆地植物的通用光合作用体系已经在在初级的链形植物上建立起来了。
图8 不同环境条件胁迫下Mesostigma viride转录组分析 该研究不但揭示了植物从单细胞到多细胞的进化与陆生植物的起源机制，其阐述的表观遗传调控基因表达、光合途径进化以及响应逆境胁迫等机制，将为高等植物如粮食作物抗逆、提高光合效率乃至品种改良方面的基础研究和育种应用提供了新思路，具有重要的指导意义。 Liang, Z., Geng, Y., Ji, C., Du, H., Wong, C. E., Zhang, Q., Zhang, Y., Zhang, P., Riaz, A., Chachar, S., Ding, Y., Wen, J., Wu, Y., Wang, M., Zheng, H., Wu, Y., Demko, V., Shen, L., Han, X., Zhang, P., Gu, X., Yu, H., Mesostigma viride Genome and Transcriptome Provide Insights into the Origin and Evolution of Streptophyta. Adv. Sci. 2019, 1901850. https:///10.1002/advs.201901850 |
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