桫欏科樹蕨是蕨類植物中典型的古老孑遺類群，因起源古老和獨特的樹形而備受關(guān)注。其宏觀形態(tài)自侏羅紀(jì)以來高度保守，被譽為恐龍時代“活化石”。盡管形態(tài)演化緩慢，該類群卻表現(xiàn)出豐富的物種多樣性及較強的環(huán)境適應(yīng)能力，成功應(yīng)對億萬年數(shù)次環(huán)境劇變，引發(fā)了進化生物學(xué)中長期未解的謎題：為何這些類群能在保持穩(wěn)定外形的同時，具備如此強大的生存韌性?

中國科學(xué)院華南植物園植物進化與保護研究團隊構(gòu)建了不同生態(tài)型 (典型喬木狀樹形及無顯著樹干的非樹形)桫欏科植物高質(zhì)量基因組圖譜，整合比較基因組學(xué)與轉(zhuǎn)錄組學(xué), 深度解析了其基因組演化機制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在整體分子進化速率相對緩慢的背景下，整個樹蕨譜系僅在約1.54億年前共享一次全基因組復(fù)制(WGD)事件。該事件賦予了樹蕨雙重適應(yīng)優(yōu)勢，不僅賦予了祖先樹蕨對侏羅紀(jì)晚期環(huán)境劇變的適應(yīng)能力，也為后期物種多樣化提供了遺傳基礎(chǔ)。典型樹形物種優(yōu)先保留與細胞壁合成和木質(zhì)化相關(guān)的基因以強化支撐結(jié)構(gòu)，而非樹形物種則更多保留代謝與防御相關(guān)基因以增強生存韌性。研究還發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)座子元件的持續(xù)爆發(fā)驅(qū)動了基因組結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，包括顯著的基因組大小變異和染色體重排，成為局部快速演化的核心驅(qū)動力。此外，喬木狀的表型創(chuàng)新并非簡單依賴于WGD滯留基因劑量，而更依賴于復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，該機制可能通過協(xié)同木質(zhì)素合成與光感知過程，進一步促進樹蕨在被子植物主導(dǎo)的林下環(huán)境中的適應(yīng)。該研究將傳統(tǒng)認(rèn)知的活化石植物“演化停滯”重新定義為一種基因組的動態(tài)平衡。宏觀進化遲緩背景下的基因組可塑性與局部創(chuàng)新，正是樹蕨成功跨越億萬年地質(zhì)變遷的演化密鑰。該成果不僅為桫欏科珍稀“活化石”蕨類植物的保護研究提供了重要的基因組資源，同時為理解古老孑遺植物的長期存續(xù)與演化提供了全新理論框架。

相關(guān)研究成果以 “Resolving the stasis-dynamism paradox: Genome evolution in tree ferns” 為題發(fā)表在進化生物學(xué)權(quán)威期刊Molecular Biology and Evolution(《分子生物與進化》)。中國科學(xué)院華南植物園在讀博士研究生魏作影為論文第一作者，根特大學(xué)Yves Van de Peer教授、中國科學(xué)院華南植物園康明研究員及王靜研究員為通訊作者。中國科學(xué)院華南植物園馮超副研究員等國內(nèi)外科研人員參與了該研究。該研究工作得到了廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究旗艦項目等的資助。

圖1. 桫欏科植物的WGD事件及后續(xù)基因保留

圖2. 桫欏科植物基因組多樣性