卷柏属植物摩尔登卷柏端粒到端粒基因组揭示早期维管植物进化与双黄酮生物合成机制

研究人员针对早期维管植物代表种摩尔登卷柏(Selaginella moellendorffii)缺乏高质量参考基因组的问题，通过PacBio HiFi、ONT和Hi-C技术构建首个染色体水平端粒到端粒(T2T)基因组(112.83 Mb/10染色体)，揭示3 515个特有基因家族在次生代谢途径的富集特征，结合多组学分析阐明双黄酮(amentoflavone等)组织特异性合成的分子机制，为早期陆地植物适应性进化和药用成分开发提供关键资源。

　　

在植物进化长河中，摩尔登卷柏(Selaginella moellendorffii)如同活化石般珍稀——作为石松类植物的重要代表，它不仅是首批登陆的维管植物之一，更是传统中药"江南卷柏片"的原料来源。然而这个兼具进化研究价值和药用潜力的物种，却长期面临基因组拼图不全的困境：现有基因组存在大量缺口，难以系统解析其独特的进化适应机制，更制约了对药用成分双黄酮(如amentoflavone)合成通路的深入挖掘。

为破解这一难题，国内研究团队在《Horticultural Plant Journal》发表了突破性成果。研究者采用PacBio HiFi长读长测序(25.82 Gb)、牛津纳米孔(ONT)超长读长测序(8.19 Gb)和Hi-C染色体构象捕获技术(33.56 Gb)，结合Illumina短读长数据校正，对采自湖北恩施的样本进行多组学分析。通过Merqury评估(QV=48.11)和BUSCO完整性验证(95.7%)，建立了覆盖6条完整端粒的染色体水平基因组。

3.1 高质量T2T基因组组装
研究成功构建112.83 Mb的gap-free基因组，包含10条伪染色体(contig N50=11.11 Mb)，其中chr1-5和chr8两端均检测到完整端粒重复序列(TTAGGG)_n。Hi-C热图显示清晰的染色体内互作模式，GC含量分析揭示基因密集区与重复序列的分布特征。

3.2 基因组注释与比较分析
在52.6%重复序列背景下，鉴定出19,505个编码基因和3,515个物种特有基因家族。KEGG富集显示这些基因显著参与苯丙烷代谢(9.79%)和黄酮合成(4.20%)通路。与同位素蕨类(Isoetes)的共线性分析表明二者约在3.396亿年前分化，期间摩尔登卷柏经历了539个基因家族扩张(涉及泛醌合成等通路)和3,338个家族收缩。

3.5 基因组复制模式解析
通过Ks值分布和DupGen_finder分析，识别出853个全基因组复制(WGD)基因和1,415个串联重复(TD)基因。值得注意的是，近端重复(PD)基因呈现最高Ka/Ks值(平均0.38)，显示其在黄酮合成通路(富集度5%)中的正向选择信号。

3.6 多组学揭示双黄酮合成机制
LC-MS/MS定量发现六种主要双黄酮呈现组织特异性积累：叶部amentoflavone含量最高(2.56%)，而茎部富含ginkgetin(0.39%)。转录组分析显示，查尔酮合成酶(CHS)和漆酶(laccase)基因在叶中高表达，与amentoflavone积累正相关；多聚酮合成酶(PKS)在根茎部优势表达则可能介导ginkgetin的甲基化修饰。

这项研究首次绘制了摩尔登卷柏从基因组到代谢组的完整调控网络，其意义体现在三方面：进化维度上，填补了早期维管植物T2T基因组的空白，为解析陆地化适应机制提供"活化石"样本；医药应用上，阐明双黄酮组织合成规律，为定向培育高活性成分品种奠定基础；技术层面则展示了多组学整合在非模式物种研究中的强大解析力。特别是发现laccase和PKS可能协同催化双黄酮二聚化，为植物特殊代谢产物工程提供了新靶点。这些发现将助力解码3亿年前植物登陆的遗传密码，同时为开发抗病毒、抗肿瘤的天然药物开辟新途径。