《Nature Communications》：Decoding the genome of Brainea insignis reveals insights into fern evolution and conservation
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本研究针对蕨类植物基因组资源匮乏制约进化与保护研究的难题，通过对濒危单型属物种苏铁蕨(Brainea insignis)开展染色体级别基因组解析(8.62 Gb)，结合群体基因组学分析，揭示了其基因组扩张主要受近期重复序列积累驱动，发现由第四纪冰期避难所形成的三个地理谱系存在显著近交和遗传负荷，并通过气候适应性模拟指出印支半岛西南部种群面临最高气候适应风险，为蕨类进化生物学提供了关键基因组资源，并为制定空间定制化保护策略提供了科学依据。
作为陆地植物演化史上最早出现的维管植物代表，蕨类植物凭借其超过13,000种的惊人多样性遍布全球各类生态位，从热带雨林到温带林下都能发现它们的身影。然而与种子植物基因组研究的蓬勃发展形成鲜明对比的是，蕨类基因组学研究长期处于相对滞后的状态。这主要归因于蕨类植物普遍具有大基因组和复杂倍性特征，例如蕨类植物Tmesipteris oblanceolata甚至拥有160 Gb的巨型基因组。目前仅有不到十个蕨类物种完成全基因组测序，这严重限制了对蕨类适应性进化和保护遗传学机制的理解。
在此背景下，研究团队选择真水龙骨类II支系中单型属物种——苏铁蕨(Brainea insignis)作为研究对象。该物种不仅是热带亚洲特有种，具有重要的观赏和药用价值，更因其对生境干扰的高度敏感性而被列为中国国家保护植物。研究团队通过整合染色体级别基因组组装与群体基因组学分析，系统揭示了该物种的演化历史与保护挑战。
本研究主要采用PacBio HiFi长读长测序(359.99 Gb)和Hi-C染色质构象捕获技术(1404.44 Gb)完成基因组组装，通过流式细胞术(8.71 Gb)和k-mer分析(8.40 Gb)验证基因组特征。群体遗传分析涵盖29个地理位置的94个个体重测序数据(平均深度21.81x)，利用ADMIXTURE、PSMC和fastsimcoal2等进行种群结构和历史重建。适应性分析结合选择性清除分析和环境关联分析(LFMM/RDA)，并通过广义相异建模(GDM)预测未来气候情景下的遗传偏移。
染色体级别基因组组装与注释
研究成功构建了8.62 Gb的染色体级别基因组，锚定至34条假染色体，contig N50达4.36 Mb。质量评估显示BUSCO完整性达97.4%，LAI指数10.34，证实组装质量达到参考基因组标准。重复序列占基因组的81.77%，其中LTR反转录转座子(47.99%)和DNA转座子(24.49%)是主要组成部分。基因注释预测出43,573个蛋白编码基因，平均基因长度15,096.24 bp。
基因组结构特征与比较基因组学
基因密度分布分析显示苏铁蕨与同型孢子蕨类相似，呈现均匀分布模式，与种子植物的端粒富集特征形成对比。同义替换率(Ks)分析发现1.77处的显著峰，证实了与核心薄囊蕨类共享的古全基因组复制(WGD)事件。值得注意的是，苏铁蕨的Ks峰值(1.7)低于铁线蕨(2.15)，相对速率检验表明其进化速率显著慢于多数核心薄囊蕨类。
LTR-RT插入时间分析发现基因组大小与早期插入的LTR-RT比例呈正相关。基因家族进化分析鉴定出353个显著扩张和200个显著收缩的基因家族，扩张家族显著富集于"木质素代谢过程"等通路，Ka/Ks<1表明这些基因受到纯化选择。微共线性分析显示木质素相关基因在物种间高度保守，暗示蕨类木质素通路存在谱系特异性分化。
种群结构与历史动态
ADMIXTURE分析揭示三个主要谱系：云南(YN)、越南(VN)和华南(SC)谱系，以及两个混合区。PSMC分析显示所有谱系在约200万年前达到有效种群规模峰值，随后下降并在海洋同位素阶段6(MIS6)冰期出现瓶颈。fastsimcoal2模拟证实YN谱系约10万年前分化，VN和SC谱系约4万年前分离。TreeMix分析检测到YN向VN的近期基因流，identical-by-descent(IBD)片段分析显示混合区存在谱系间基因交流。
近期种群衰退的基因组效应
基因组杂合度分析显示三个谱系均处于较低水平(YN:0.08, VN:0.12, SC:0.10)。纯合片段(ROH)分析表明所有谱系均存在大量长ROH(>100 kb)，基因组ROH覆盖度(FROH)平均值达0.51(YN)、0.50(VN)和0.43(SC)。遗传负荷评估发现YN谱系具有最高比例的纯合有害错义(DEL)和功能丧失(LOF)突变，且ROH区域内LOF变异密度显著高于非ROH区域。与40余种植物比较显示，濒危蕨类π0/π4比值显著高于多数种子植物，表明小种群削弱了纯化选择效率。
适应性分化与气候变化下的遗传脆弱性
选择性清除分析在SC和YN谱系分别鉴定出116和64个正选择基因，功能富集显示这些基因主要参与结合和催化功能。基因-环境关联分析识别出4,974个核心适应性变异，RDA分析表明YN谱系与昼夜温差(bio2)相关，SC谱系与年均温(bio1)和最干月降水(bio14)相关。未来气候情景模拟显示，印支半岛西南部种群具有最高的遗传偏移风险，中等偏移量(>0.05)下需要超过5,000 km的迁移距离才能避免适应不良，远超孢子自然扩散能力。
本研究通过构建高质量苏铁蕨基因组，揭示了蕨类基因组进化的重要规律：古老WGD事件与重复序列动态共同塑造基因组架构，缓慢的进化速率可能促进谱系长期存活但限制适应潜力。群体基因组分析表明，近期种群衰退导致遗传多样性丧失、近交加剧和遗传负荷积累，且与长期小种群不同，苏铁蕨未能有效清除有害突变。气候适应性预测指出特定地理种群面临严重适应风险，强调需要采取空间定制化保护策略，通过促进适应性基因流和生境连通性维护来保障物种长期存活。该研究不仅填补了真水龙骨类II支系的基因组空白，也为理解蕨类进化历史与制定科学保护策略提供了重要范例。
