蛇纹岩土壤适应性进化的基因组基础：Alyssum与Arabidopsis跨越2000万年的趋同进化

本研究针对植物如何适应极端蛇纹岩土壤环境这一科学问题，通过比较基因组学和表型分析，揭示了Alyssum属两种植物与Arabidopsis arenosa在离子稳态、营养吸收等关键通路的趋同进化模式。研究发现跨物种共享的SULTR1;1、GORK等候选基因，为理解Brassicaceae植物环境适应性提供了新视角。

　　

在植物进化生物学领域，蛇纹岩土壤因其独特的"三重胁迫"（化学毒性、物理干旱、生物贫瘠）被称为"天然实验室"。这类土壤富含镍(Ni)、铬(Cr)等重金属，钙(Ca)/镁(Mg)比例严重失衡，形成了特殊的"蛇纹岩综合征"(serpentine syndrome)。尽管已有研究揭示了部分植物通过表型可塑性应对这种极端环境，但跨越百万年进化分歧的物种是否采用相同遗传策略，仍是悬而未决的科学问题。

捷克查理大学植物学系（Department of Botany, Faculty of Science, Charles University）领衔的国际团队选择Alyssum gmelinii和A. spruneri这对近缘种为模型，通过与已研究的Arabidopsis arenosa（两者分化约17-20百万年）进行跨属比较，揭示了Brassicaceae植物适应蛇纹岩土壤的基因组趋同规律。相关成果发表于《Annals of Botany》。

研究采用PacBio Revio平台完成A. gmelinii参考基因组组装（683 Mb，N50=12.3 Mb），对4组蛇纹岩-非蛇纹岩种群配对样本进行全基因组测序（平均深度33×）。通过移植实验验证表型适应性后，运用F_ST、PBE（Population Branch Excess）和PicMin三种选择扫描方法鉴定候选基因，并结合STRING数据库构建蛋白互作网络(PPIN)分析功能趋同性。

关键结果
1. 重复 colonization 事件
PCA和TreeMix分析显示，4组地理隔离的蛇纹岩种群均为独立起源事件。移植实验证实蛇纹岩种群在原生土壤中萌发更早（HR=2.844，p<0.001），生物量更高（β=1.290，p=0.032），且能主动调节Ca/Mg吸收比（提升2倍），同时限制Ni、Co的积累（82 mg/kg vs 土壤含量）。

2. 核心适应基因集
61个"top candidates"基因在≥2个种群对中重复出现，包括离子转运体（SULTR1;1、NRT2:1、KUP9）、内皮层形成蛋白（CASP1）和胚胎发育调控因子（SHB1）。GO富集显示这些基因显著参与无机离子稳态（p<0.05），如镁转运体MGT7与钾通道GORK的协同作用。

3. 跨属功能趋同
与A. arenosa的222个候选基因比较，发现13个直系同源基因重叠（如PHT1;1、GORK），显著高于随机预期（p<0.0001）。PPIN分析显示127个Alyssum候选蛋白与155个Arabidopsis蛋白直接互作（1,232条边，p=0.0046），形成"离子运输-氧化应激响应"功能模块。

这项研究首次证实，尽管存在2000万年的进化分歧，Alysseae和Camelineae两个族仍通过招募相同基因网络实现蛇纹岩适应。发现的SULTR1;1等"核心适应工具箱"为作物重金属耐受性改良提供了新靶点，而跨物种保守的Ca/Mg调控机制则启示了极端环境生态修复策略。研究建立的混合倍性群体分析方法（Snakemake流程）为多倍体适应性研究树立了新范式。