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苔藓植物在极地生态系统中至关重要。为探究其在极端环境下的适应机制，研究人员对北极的 Aulacomnium turgidum 和南极的 Polytrichastrum alpinum 进行基因组测序分析。成功组装出染色体水平基因组，发现性染色体特征等。这为研究苔藓适应进化提供关键资源。
在神秘的极地世界，冰雪皑皑、环境恶劣，却有着一群顽强的 “小生命”—— 苔藓植物。它们是极地生态系统的重要组成部分，在维持生态平衡、促进物质循环等方面发挥着不可替代的作用。苔藓植物属于高等植物中较原始的类群，与维管植物构成姐妹群，有着独特的单倍体主导的生命周期。它们能够在极地的低温、低光照、营养匮乏和干燥等极端条件下生长繁殖，常作为先锋物种开拓新的生态空间，比如在南极洲的陆地生态系统中，苔藓是优势植物群落 。
然而，尽管苔藓植物在极地生态中如此重要，科学家们对它们的基因组了解却十分有限。完整基因组数据的缺乏，就像一道屏障，阻碍着人们深入探究苔藓在极端环境下独特生存策略背后的分子机制。比如，它们如何应对极地漫长的极夜和短暂的极昼？怎样在低温下保持细胞活性？这些问题亟待解决。为了揭开这些谜团，来自中国科学院大学、华大基因研究院等多个研究机构的研究人员携手合作，对北极的 Aulacomnium turgidum（膨胀藓）和南极的 Polytrichastrum alpinum（高山金发藓）展开了深入研究。
研究人员开展了一项针对这两种极地苔藓基因组的测序和分析研究。他们通过一系列复杂而精细的实验操作和数据分析，成功组装出了 Aulacomnium turgidum 和 Polytrichastrum alpinum 的染色体水平基因组，这一成果意义非凡，为后续研究奠定了坚实基础。该研究成果发表在《Scientific Data》杂志上，为全球科研人员进一步了解极地苔藓植物提供了宝贵资源。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，采集了 Aulacomnium turgidum 和 Polytrichastrum alpinum 的野生配子体样本，分别来自北极的斯瓦尔巴群岛和南极的乔治王岛。然后，利用纳米孔长读长测序（Nanopore long-read sequencing）、高通量染色体构象捕获（Hi-C）测序和 Illumina 短读长测序技术对样本基因组进行测序。接着，通过一系列生物信息学工具和算法对测序数据进行处理，包括基因组组装、重复序列注释、基因和功能注释等，从而获得高质量的染色体水平基因组信息。
基因组组装与特征分析
研究人员通过 k-mer 分析预测 Aulacomnium turgidum 基因组大小约为 272.00 Mb，Polytrichastrum alpinum 约为 449.50 Mb。最终组装得到 Aulacomnium turgidum 基因组大小为 277.84 Mb，Contig N50 达 11.92 Mb；Polytrichastrum alpinum 基因组大小为 498.33 Mb，Contig N50 为 4.24 Mb。同时，分别将 275.60 Mb 和 488.51 Mb 的序列锚定到 11 条和 8 条染色体上。并且发现这两种苔藓都具有性染色体，其基因密度低于常染色体，重复序列密度更高。
基因注释与功能分析
在 Aulacomnium turgidum 中预测出 25,999 个蛋白质编码基因，Polytrichastrum alpinum 中有 28,070 个。通过 BUSCO 评估，两者基因空间完整性分别达到 98.2% 和 98.0%。在功能注释方面，研究人员将基因模型与多个数据库比对，对蛋白质结构域和基因本体进行注释，并利用 iTAK 工具预测转录因子。结果显示，两种苔藓在多个功能注释数据库中的注释比例不同，也预测出了不同数量的转录因子。
非编码 RNA 注释
研究人员利用多种工具对非编码 RNA 进行注释。在 Aulacomnium turgidum 中鉴定出 1,032 个非编码 RNA，包括 14 个 miRNA、284 个 tRNA 等；在 Polytrichastrum alpinum 中鉴定出 3,223 个非编码 RNA，包括 7 个 miRNA、568 个 tRNA 等。这为进一步了解苔藓植物基因表达调控机制提供了重要信息。
基因组共线性分析与系统发育重建
通过 jcvi 库进行基因组共线性分析，构建 Circos 图展示基因组特征分布，研究人员发现了两种苔藓基因组内和染色体间的共线性关系。同时，基于 14 种苔藓植物的 61 个单拷贝直系同源蛋白序列，构建最大似然系统发育树，明确了 Aulacomnium turgidum 和 Polytrichastrum alpinum 在苔藓植物中的系统发育位置。
这项研究成功获得了北极 Aulacomnium turgidum 和南极 Polytrichastrum alpinum 的染色体水平高质量基因组，详细分析了基因组特征、基因功能、非编码 RNA 以及系统发育关系。这些成果为深入研究苔藓植物在极端极地环境下的适应进化和胁迫耐受机制提供了关键的基因组资源，有助于揭示植物适应极端环境的奥秘，为全球气候变化研究、生态保护以及植物进化研究提供了重要的理论依据和数据支持，也为后续相关领域的研究开辟了新的方向 。
