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8月1日，我校女子足球 蔡晶教授团队联合中国科学院天津工业生物技术研究所江会锋研究员和云南农业大学杨生超教授团队在植物生态学领域的最新原创研究成果在《Nature Plants》（《自然-植物》）期刊发表。这是蔡晶教授继2023年11月在《Nature Genetics》发表葱属植物多样性演化的生态适应机制研究之后的又一重要研究成果。

基因组蕴含了不同生物适应各自生态环境的奥秘。因此，利用基因组为基础的多组学生物大数据，从基因和分子层面揭示生物多样性演化进程中生物与环境互作的生态适应机制，成为基因组学前沿技术推动生态学科创新发展的新方向。基因组大小与环境适应关系密切，一般认为大基因组的植物更加适合寒冷与弱光的环境。黑药花科植物因为科内物种基因组大小相差悬殊（超过20倍），成为研究植物基因组大小变化与生态适应的重要模型。

蔡晶教授团队专注于百合类单子叶植物中大量具有地下储存器官植物多样性演化的生态适应机制研究。近期在石蒜科葱属和黑药花科滇重楼两个类群中开展工作，致力于利用多组学大数据从形态发育、天然产物合成以及基因组大小演变三方面解析地下储存器官演化的分子机制。前期已经在葱属植物形态风味演化密切相关的球茎形态发育和蒜氨酸天然产物合成机制方面取得了重要进展。地下储存器官演化常常伴随基因组的增大。滇重楼地下茎作为多年生地下储存器官富含重楼皂苷等天然产物，具有悠久的药用历史，又具有超大基因组和超长染色体。破译滇重楼基因组既有助于理解地下储存器官演化的生态适应机制，更有助于解析重楼皂苷等天然产物生物合成通路，为利用细胞工厂高效生物合成重楼皂苷奠定重要基础。

本项研究中，研究团队经历7年攻关，成功解析了药用植物滇重楼54.58 Gb的超大基因组——相当于人类基因组的18倍！更令人惊叹的是，其最大染色体长度突破14 Gb，创下所有已知生物染色体长度的纪录。

图1. 滇重楼植株及其与人类染色体核型对比

面对超大基因组组装的世界性难题，研究团队创新研发染色体组装策略（已获国家专利ZL202410969593.6），成功绘制出滇重楼五条巨型染色体图谱。通过Hi-C数据分析，研究团队首次发现这些"巨无霸"染色体在细胞两次分裂间的休息期（细胞分裂间期）仍保持独特的高阶螺旋结构，每圈螺旋长达250 Mb，颠覆了传统认知。

图2. 滇重楼染色体图谱与细胞分裂间期高阶螺旋模型

为了找到滇重楼基因组增大的幕后推手‌，研究团队解析其基因组增大的驱动机制与染色体稳定性的维持系统‌‌。对比同科植物兴安藜芦（基因组仅3.93Gb）发现，滇重楼基因组的增大与全基因组复制事件无关。相反，这种扩张是由占其基因组 96% 的转座子驱动的。其中78% 的转座子插入发生在 2900 万年前，Ty3/gypsy 和 Helitron 等基因组重复元件是扩张的主要驱动因素。同时滇重楼进化出三大“生存智慧”，包括DNA修复相关基因家族的显著扩充、5mC高甲基化沉默转座子的表观遗传调控、以及增强异染色质稳定性的组蛋白H2A.W亚家族的特异突变。‌

图3. 黑药花科植物全基因组复制历史

这项研究揭示了滇重楼超大基因组的演化和维持机制，为理解植物基因组大小差异和染色体结构多样性提供了新的视角。

在上述工作的基础上，研究团队进一步在葱属和重楼的泛基因组、天然产物合成通路、地下储存器官形态发育等方面开展深入研究，解析地下储存器官演化的生态适应机制，为生物多样性保护和利用提供重要理论基础和实践指导。

（图文：曾鹏；审核：邱强）