近日，北京市農(nóng)林科學(xué)院生物所楊效曾團(tuán)隊(duì)在植物學(xué)權(quán)威期刊《New Phytologist》（IF2021=10.313）上發(fā)表題為“Insights into the convergent evolution of fructan biosynthesis in angiosperms forbid the highly characteristic chicory genome”的研究成果。該研究在組學(xué)層面揭示了菊科植物與其它被子植物在果聚糖積累方面的趨同進(jìn)化現(xiàn)象，為果聚糖在植物發(fā)育、適應(yīng)和生物多樣性中的關(guān)鍵作用提供了新的見解。
果聚糖在被子植物中廣泛存在，目前發(fā)現(xiàn)其主要存在于菊科（如菊苣、生菜）、天門冬科（如洋蔥）、禾本科（如大麥、小麥）、龍舌蘭科等植物中。菊科植物尤為特別，菊糖（果聚糖的一種形式）取代淀粉成為菊科植物能量的主要存儲(chǔ)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，菊苣成為工業(yè)果聚糖的重要來(lái)源，也是研究果聚糖生物合成的模式物種。
通過(guò)結(jié)合多種測(cè)序技術(shù)，該研究完成了菊苣高質(zhì)量基因組組裝和注釋，并詳細(xì)解析了菊苣中果聚糖的合成途徑。通過(guò)對(duì)33個(gè)具有代表性被子植物的比較基因組分析，研究發(fā)現(xiàn)如上所述的含有果聚糖的類群盡管進(jìn)化關(guān)系較遠(yuǎn)，但其具有類似的果聚糖代謝機(jī)制，即通過(guò)一系列GH32基因家族的果聚糖代謝酶（FAZY）完成果聚糖合成與分解。更進(jìn)一步，通過(guò)比較不同類群GH32家族的氨基酸序列，并對(duì)這些蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，發(fā)現(xiàn)含有果聚糖的植物中相同關(guān)鍵位點(diǎn)上的突變導(dǎo)致了它們獨(dú)立進(jìn)化出了果聚糖代謝酶。這是典型的一種趨同進(jìn)化現(xiàn)象。
果聚糖是果糖的高聚體，水溶性強(qiáng)，植物可以通過(guò)果聚糖的合成與分解調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)滲透壓，從而提高對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。研究進(jìn)一步推測(cè)菊科和禾本科在分化后的相似時(shí)間（近白堊紀(jì)-古近紀(jì)邊界）進(jìn)化出果聚糖生物合成途徑，有可能在它們的適應(yīng)和進(jìn)一步的生物多樣性中發(fā)揮重要作用。
同時(shí)，該研究詳細(xì)描繪了菊苣基因組成分、DNA 甲基化和三維 （3D） 結(jié)構(gòu)，連續(xù)爆發(fā)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子 （LTR-RTs） 家族高占比的基因組特征，并破譯了菊苣中豐富的倍半萜含量的遺傳基礎(chǔ)，為菊苣基礎(chǔ)研究和育種應(yīng)用提供了重要的數(shù)據(jù)。
生物所申飛博士，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生何昊為論文共同第一作者，楊效曾研究員為論文通訊作者。該研究得到北京市農(nóng)林科學(xué)院基因組學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、創(chuàng)新能力建設(shè)、院優(yōu)秀青年基金等項(xiàng)目的資助。文章全文鏈接為： https://doi.org/10.1111/nph.18796
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