中国学者破译古老复苏植物卷柏基因组，并揭示其耐旱机制

复苏植物耐旱机制研究是国际关注热点，蕨类植物卷柏是一种很好的研究复苏植物的材料。卷柏（Selaginella tamariscina），又名万岁草，属于蕨类植物门石松纲卷柏科卷柏属，具有活血通经等功效，《神农本草经》列为上品，《本草纲目》记载∶万岁、长生，言其耐久也。卷柏是古老的复苏植物，干旱时能存活数十年，遇水而荣。但卷柏属不同物种分子进化率差异显著，生理特点也显著不同，如江南卷柏（S. moellendorffii）为干旱敏感型，脱水会导致其死亡（图1）。因此，如何揭示卷柏属不同物种响应干旱胁迫的机制是一个重要的科学问题。

图1 卷柏在不同脱水条件下的生理状态（叶绿素荧光）

中国医学科学院药用植物研究所“本草基因组协同创新团队”联合中国中医科学院中药研究所、德国波恩大学等国内外单位，采用第三代PacBio测序技术绘制了高杂合度卷柏的基因组图谱，比较已发表的江南卷柏以及复苏植物基因组，揭示了卷柏的耐旱机制，研究成果“Genome analysis of the ancient tracheophyte Selaginella tamariscina reveals evolutionary features relevant to the acquisition of desiccation tolerance”为题于2018年5月17日在线发表在Molecular Plant 杂志上，该研究是本草基因组学研究的重大突破，发现了古老复苏植物卷柏独特的基因组结构及耐旱相关基因，有助于推动干旱胁迫与药用植物品质形成机理研究。

破译古老复苏植物卷柏基因组，发现独特的基因组结构及耐旱相关基因

卷柏属植物基因组杂合度极高，江南卷柏约为1.5%，卷柏为2%。该研究采用单分子实时（SMRT）测序技术对卷柏进行基因组测序、组装、注释等，共组装到卷柏的二倍体基因组301Mb，基因组注释到27,761蛋白质编码基因，11%的蛋白编码基因在脱水状态下（50% RWC）显著高表达（图2）。卷柏基因组含有大量的重复序列（61%），约为江南卷柏的2倍。

图2 卷柏基因组特征、基因组进化及基因家族的扩张与收缩

研究发现卷柏独特的叶绿体基因组结构，含有同向的重复区并且发现大片段的序列重排。卷柏叶绿体基因数量明显减少，与江南卷柏相比，缺失了整个NAD(P)H脱氢酶编码基因（cp-ndh）；而大多数江南卷柏的cdh基因在脱水状态下关闭表达，证明cdh的缺失与卷柏的耐脱水特性有密切的关联。基因组进化分析发现卷柏拥有显著扩张的基因家族，如卷柏的PPR家族成员远远超过被子植物的PPR基因数量，且83个PPR编码基因在脱水状态时显著降低，表明其在叶绿体发育中发挥重要角色。油脂蛋白Oleosin在高等植物种子中特异表达，具有贮藏能量的功能，该研究发现卷柏的Oleosin蛋白家族显著扩张，且5个Oleosin基因在脱水过程中显著上调，复水后表达恢复，证明其在卷柏干旱及复苏过程中发挥关键作用。此外，该研究还发现与卷柏复苏相关的ELIP基因家族显著收缩，且脱水后表达降低，而已报道的多数复苏植物ELIP扩张且显著响应干旱胁迫，如旋蒴苣苔（Boea hygrometrica），显示卷柏特异的复苏机制。植物活性氧ROS的产生导致氧化性损伤及细胞凋亡，通过比较基因组发现，卷柏和复活草（Oropetium thomaeum）ROS产生相关基因数量显著低于其他植物，且ROS清除相关基因表达极显著，卷柏较弱的ROS产生和极强ROS清除是其耐旱的重要分子机理。

推动干旱胁迫与药用植物品质形成机理研究

依据该研究发现的卷柏耐旱机理，结合已完成的丹参、甘草、紫苏基因组，研究团队与盛实百草药业有限公司、北京大安生物技术有限公司、贵州省农业科学院、赤峰博弘生态农业有限公司、内蒙古盛齐堂生态药植有限公司等企事业单位合作，共建甘草、黄芪、紫苏、黄芩、丹参、金银花等药用植物耐旱机制研究试验地（图3），为揭示干旱胁迫影响药用植物品质的分子机制、筛选药用植物耐旱优良种质等提供科学依据，推动旱地中药农业的发展。

图3 研究团队成员在甘草、黄芪耐旱机制研究试验地考察

该论文的第一作者为徐志超博士，通讯作者为宋经元研究员和陈士林研究员。相关工作得到中国医学科学院医学与健康科技创新工程（2016-I2M-3-016）等项目资助。此外，研究团队在《科学》增刊提出本草基因组学理论体系，出版《本草基因组学》专著，在《中国科学生命科学》组织相关单位结集出版本草基因组学专辑（图4），推动本草基因组学的科研、教学与实践应用（点击阅读：《中国科学：生命科学》出版本草基因组学专辑）。

图4 研究团队在《中国科学生命科学》组织本草基因组学专辑

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通讯作者简介

陈士林，中国中医科学院中药研究所所长，世界卫生组织传统医学合作中心主任，教育部长江学者和创新团队负责人。国内外首创中草药DNA条形码鉴定技术体系并纳入中国药典，被评为2016年中国医学十大进展；完成人参、丹参等十余种中草药全基因组图谱，主持无公害人参、三七等精细栽培项目并推广应用, 获新品种证书4项。获国际国内专利36项，国家科技进步二等奖3项，为吴阶平医药创新奖和亚洲第三位Agilent Thought Leadership Award获得者。

宋经元，博士生导师，哈佛大学医学院高级研究学者（CSC资助），国家卫生计生突出贡献中青年专家，中国医学科学院“本草基因组协同创新团队”首席专家，中国医学科学院药用植物研究所云南分所副所长。长期致力于应用生命科学前沿技术研究中草药，作为主要完成人，在国际上提出并验证ITS2序列作为植物通用DNA条形码，共同创建中草药DNA条形码鉴定技术体系，相关指导原则纳入《中国药典》。获国家级奖1项，省部级奖3项。