全基因组复制事件的绝对定年揭示莲座蕨属植物的迟滞演化

莲座蕨属(Angiopteris)隶属于厚囊蕨类莲座蕨目合囊蕨科，是蕨类植物基部类群的重要代表之一。莲座蕨目是由已灭绝的Psaroniaceae和现存的合囊蕨科组成。

其中，Psaroniaceae为非常高大的树状蕨类，高可达10 m；其化石记录从石炭纪一直延续分布到白垩纪早期。

已灭绝的Psaronius重建图（引《TheBiology and Evolution of Fossil Plants》）

而现存的合囊蕨科植物均为低矮的草本植物，其祖先类群(Marattiopsis crenulatus, Marattia anglica 和 Angiopteris blackii )在三叠纪瑞典植物群和中侏罗纪约克郡(Yorkshire)植物群就已存在。

福建莲座蕨 Angiopteris fokiensis（舒江平摄）

云南莲座蕨 Angiopteris yunnanensis （陈思思摄）

全基因组复制(whole-genome duplication,WGD)又称多倍化(polyploidization)，是促进维管植物物种形成、多样性和环境适应的关键机制，在重要的地质历史时期中频繁发生。

全基因组复制使得物种基因组内的所有基因都发生加倍，为生物演化提供了更多可供选择的遗传原材料，被认为是物种演化过程中的“加速器”。确定全基因组复制事件的发生时间对理解生物的适应性演化具有重要意义。

然而，在维管植物，特别是蕨类植物中，全基因组复制事件的发生时间及其演化意义仍知之甚少。

近日，深圳兰科中心严岳鸿课题组以蕨类植物基部的重要类群——莲座蕨属为研究对象，选取福建莲座蕨(Angiopteris fokiensis)为代表物种，利用同义替换率(Ks)和绝对定年的方法分析莲座蕨属植物全基因组复制事件的发生时间和物种单位时间内的分子演化速率, 并对事件发生后保留下的基因进行基因功能注释和富集分析。

结果显示，3个福建莲座蕨样本均显示在159-165Mya发生了一次全基因组复制事件，该事件可能与裸子植物繁盛、核心被子植物集中兴起或托阿尔阶灭绝事件相关。结合莲座蕨属植物的化石纪录最早可追溯到侏罗纪中期，作者推测此次全基因组复制事件的发生也可能促进了该类群植物的起源。

对福建莲座蕨全基因组复制后保留的基因进行功能注释和富集分析，发现与营养代谢、信号传导、适应调节和组织结构生长相关的重复基因被优先保留。推测福建莲座蕨可能通过全基因组复制加速遗传和形态创新，促进自身快速适应环境的变化。

此外，研究发现福建莲座蕨的分子演化速率为1.66 × 10^‒9 (同义替换/位点/年)，是除裸子植物外，陆生植物中已知演化速率最缓慢的类群，推测这可能与莲座蕨属植物世代周期长、基因组较大及其生长环境稳定有关。

本研究通过分析福建莲座蕨的全基因组复制历史和复制基因的保留模式，推测全基因组复制事件对促进演化速率较慢的植物适应极端环境变化具有重要意义，可为理解其他陆生植物的适应性演化提供更多启示。

该研究结果以“全基因组复制事件的绝对定年揭示莲座蕨属植物的迟滞演化”为题于近日发表在国内中文核心期刊《生物多样性》上。西南林业大学与深圳兰科中心联合培养博士生王婷为第一作者，深圳兰科中心严岳鸿研究员和西南林业大学向建英副研究员为共同通讯作者。