编辑推荐：
为探究被子植物进化、叶片巨型化及雄蕊功能创新机制，研究人员对维多利亚睡莲（Victoria cruziana）等四种睡莲进行基因组测序分析。结果发现睡莲频繁多倍化，确定了相关基因变化，揭示了独特雄蕊分工等。该研究为理解睡莲及开花植物进化提供新视角。
睡莲，这种在水面静静绽放的植物，看似普通，却隐藏着关乎植物进化的重大秘密。在植物进化的长河中，被子植物的起源与早期演化一直是困扰科学界的难题，“达尔文的可恶之谜” 就指的是约 1.5 亿年前被子植物出现后的快速多样化，其演化机制至今仍未完全明晰。睡莲作为早期演化的开花植物，对解开这一谜团至关重要。然而，此前睡莲相关的基因组研究较少，对其独特的生物学特征，如巨大叶片的形成机制、特殊的授粉系统等，缺乏深入了解。为了填补这些知识空白，来自浙江大学、中国科学院植物研究所、华北理工大学等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。最终，他们的研究成果发表在《Plant Communications》上，为植物进化研究领域带来了新的曙光。
研究人员为了全面解析睡莲的基因组信息，采用了多种先进技术。在样本采集方面，分别收集了维多利亚睡莲（Victoria cruziana）、芡实（Euryale ferox）、墨西哥睡莲（Nymphaea mexicana）和莼菜（Brasenia schreberi）的样本 。在基因组测序上，针对不同物种选用了牛津纳米孔技术（ONT）和单管长片段读取（stLFR）技术。通过这些技术，成功组装出四个物种的染色体水平基因组，并进行了全面的基因预测和功能注释。
研究成果丰硕，主要体现在以下几个方面：
- 基因组组装与多倍化分析：成功组装出维多利亚睡莲（3.26 Gb）、芡实（0.73 Gb）、墨西哥睡莲（0.50 Gb）和莼菜（1.2 Gb）的染色体水平基因组。通过分析同义替换率（Ks）分布和共线性等，发现睡莲频繁发生多倍化。睡莲科存在一个古老的全基因组复制（WGD）事件，而莼菜所属的莼菜科未共享该事件，且莼菜经历了两次 WGD 事件和一次全基因组三倍化（WGT）事件。墨西哥睡莲发生了二倍体化，芡实则经历了三倍体化。
- 基因复制与丢失事件：研究人员整合多个睡莲物种基因组数据，鉴定出 18,606 个直系同源基因簇。约 59.35% 的同源基因簇在四个植物谱系（真双子叶植物、单子叶植物、木兰类植物和睡莲目）中共享，部分基因在进化中功能保守，部分则发生了适应性改变。研究还发现睡莲目中存在大量基因复制和丢失事件，如防御相关基因NRG1发生复制，而花发育相关基因AGL15、抗性相关基因TNL、NRG1、SAG101等在某些谱系中丢失，这些基因变化与睡莲对水生环境的适应及花发育过程密切相关 。
- 叶片巨型化机制：利用加权基因共表达网络分析（WGCNA）研究维多利亚睡莲叶片巨型化机制。发现在叶片发育早期，细胞增殖相关基因在特定模块高度富集，参与调控细胞增殖、油菜素内酯（BR）信号传导和生物合成的基因发挥重要作用。在叶片发育中期，与细胞壁修饰相关的基因表达显著，促进细胞扩张。此外，研究还鉴定出多个可能参与叶片大小调控的微小 RNA（miRNA），如miR396、miR398和novel_miR_121等，提出细胞增殖相关基因、BR 信号通路相关基因和 miRNA 在叶片巨型化调控中起重要作用的假说。
- 花器官发育与雄蕊分化：研究人员检测维多利亚睡莲不同花器官在不同发育阶段的 A、B、C、D 和 E 功能基因表达谱，发现 B 功能基因（VicAP3和VicPI）和 E 功能基因（VicSEP）在花器官中广泛表达，A 功能基因VicAGL6和 C 功能基因VicAGa、VicAGb的表达则呈现出从外到内的梯度变化。维多利亚睡莲的雌雄异熟类型为雄性先熟，通过 WGCNA 分析确定了花中存在三种类型的雄蕊，即外花瓣状雄蕊、中可育雄蕊和内退化雄蕊，并揭示了不同类型雄蕊发育的调控基因。
- 花香挥发性有机化合物的生物合成：研究人员对维多利亚睡莲开花两天内的花香挥发性有机化合物（FVOCs）进行分析，发现第一天 FVOCs 中 52.45% 为甲酯类物质，且随着花期推进含量显著下降。研究聚焦于VicSABATHa基因，发现它在开花第一天的内雄蕊中高表达，编码水杨酸苯甲酸可可碱合酶（SABATH），参与甲酯生物合成。体外酶活性测定和烟草叶片瞬时表达实验表明，VicSABATHa特异性催化短链脂肪酸甲酯的合成，与NcSABATH1在催化底物特异性上存在差异。
综合研究结果与讨论，该研究通过对多种睡莲基因组的深入分析，揭示了睡莲的进化历程，包括频繁的多倍化事件和独特的基因复制与丢失模式，为理解被子植物的进化提供了重要线索。在睡莲独特生物学特征方面，明确了叶片巨型化的分子调控机制，阐释了花器官发育、雄蕊分化及花香生物合成的过程和关键基因。这些发现不仅有助于深入了解睡莲的生物学特性，还为植物进化研究提供了新的理论依据，对保护和利用睡莲等植物资源具有重要意义。同时，研究中发现的一些基因变化与植物对环境的适应性相关，为后续研究植物如何适应水生环境等提供了方向，推动了植物科学领域的进一步发展。
