▲与恐龙同时代的“活化石”树蕨植物 。 林科院供图
3亿年前的一天 ， 两只恐龙漫步在丛林中 。 它们悠闲地取食着高大的树蕨的叶片 ， 心满意足 。 沧海桑田 ， 恐龙已然灭绝 ， 而树蕨坚强存活至今 ， 被称为植物界的“活化石” 。
近日 ， 《自然—植物》以封面文章的形式发表了桫椤（一种树蕨）的高质量基因组 。 该研究填补了树蕨植物基因组的空缺 ， 为植物进化提供了重要依据 。
该项研究由中国林业科学研究院（以下简称林科院）林木遗传育种国家重点实验室研究员李全梓团队联合中国农业科学院深圳农业基因组研究所、中国医学科学院药物研究所、美国康奈尔大学等16个机构的32位科学家完成 。
穿越3亿年的树蕨如今濒危
蕨类植物有11500多种 ， 是仅次于被子植物的第二大维管植物类群 。
论文共同通讯作者李全梓在接受《中国科学报》采访时说 ， 桫椤目是蕨类中一个非常特殊的类群 ， 其中几个科的植物具有树状的茎 ， 被称为树蕨 ， 别名蛇木 ， 是能长成大树的仅存的木本蕨类植物 ， 有着“蕨类植物之王”的美誉 。 树蕨在中生代侏罗纪恐龙生活的时期达到繁盛 ， 是与恐龙同时代的古老的“活化石”植物 ， 但经历了数亿年的变迁 ， 遭遇了两次群体缩减 ， 如今已成为濒危的国家二级保护植物 。
“目前树蕨的种类和数量不算多 ， 有600多个种 。 ”李全梓说 ， 树蕨主要分布在热带和亚热带 ， 包括中国、澳大利亚、新西兰 ， 以及东南亚国家等 。
研究发现 ， 地球上的植物经历了从水生到陆生、从单细胞到多细胞、从简单到复杂的漫长进化过程 。 4.7亿年前 ， 藻类登陆后 ， 逐渐形成苔藓植物、石松类植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物 ， 构成了丰富多样的植物类群 。
论文共同第一作者、林科院林业研究所在读博士黄雄说：“桫椤是地球上唯一存活至今的树蕨 。 ”3亿年前的石炭纪和二叠纪时期 ， 地球上曾经有很多木本蕨类 ， 比如芦木、封印木 ， 但它们都已灭绝 。
侏罗纪时代最繁盛的动物恐龙也灭绝了 ， 而与恐龙同时代繁盛的桫椤却在恶劣环境中存活至今 ， 令人感到不解 。 “对这一濒危物种的研究 ， 有助于提高对地球地质事件、生物进化和生态演变的认识 ， 对认知地球植物类群多样性和保护自然生态环境具有重大意义 ， 还将提高地球自然气候变化和生物多样性的研究水平 。 ”李全梓说 。
然而 ， 由于蕨类植物通过孢子繁殖 ， 对水的依赖性较强 ， 所以存活至今的很多蕨类植物比种子植物面临更大的灭绝风险 。 同时 ， 树蕨生长繁殖对环境的要求很高 ， 它喜温暖潮湿 ， 厌干旱寒冷 ， 孢子繁殖效率低 。
李全梓认为 ， 对蕨类植物基因组的破译和发育过程的研究 ， 以及对树蕨等蕨类植物的生长习性（包括孢子繁殖过程）和对外界不良环境响应机制的深入研究 ， 将有效促进桫椤的繁殖与保护 。
此前 ， 蕨类植物基因组破译很少 ， 仅有满江红、槐叶萍等几个水蕨植物的基因组被组装报道 。 “这主要因为蕨类植物的基因组普遍非常大 ， 重复序列多、杂合度高 ， 平均大小为几十个Gb 。 目前已知基因组最大的蕨类植物为松叶蕨 ， 其大小为142Gb 。 这为基因组测序和组装带来了巨大的挑战 ， 不仅测序费用昂贵 ， 而且组装难度非常大 。 ”论文共同第一作者、中国农业科学院深圳农业基因组研究所在读硕士生王文玲说 。
“很多种子植物的基因组被破译 ， 大大促进了人们对种子植物重要性状的形成机制的研究 。 而人们对低等植物的认识较少 ， 对植物如何从低等植物进化到高等植物了解得还远远不够 。 ”李全梓说 。
揭开树蕨茎干的奥秘
在进化史中 ， 自石松和蕨类植物开始分化的维管系统 ， 大大提高了水分、无机盐和营养物质的运输机能和效率 ， 促进了植物茎干的形成 ， 对茎干直立起到了支撑作用 ， 推动了陆地植物生态系统的发展壮大 。
植物的维管组织主要由次生壁加厚的细胞构成 ， 包括被子植物中运输水分的导管和支撑树干的纤维 ， 以及裸子植物中的管胞（兼具运输水分和支撑树干的功能） 。
“树蕨具有树状的茎干 ， 对它的研究将有助于理解蕨类植物如何进化形成树的性状 。 ”李全梓说 。
该研究基于PacBio和Illumina测序 ， 组装了桫椤科桫椤6.2Gb大小的基因组 ， 并利用Hi-C数据挂载到69条染色体上 。 这是目前蕨类植物中第一个染色体水平的基因组 。
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