《PLOS Biology》：A deep genetic structure phylogenomically frames the closest algal relatives of land plants
编辑推荐：
解析陆生植物（embryophytes）与藻类最后共同祖先的性质，有助于追溯植物登陆所伴随的适应性变化。为此，最接近陆生植物的链型藻类（streptophyte algae）近缘类群携带关键信息。尽管其简单体型最初令人意外，但所有主要系统发育基因组学（phyl
解析陆生植物（embryophytes）与藻类最后共同祖先的性质，有助于追溯植物登陆所伴随的适应性变化。为此，最接近陆生植物的链型藻类（streptophyte algae）近缘类群携带关键信息。尽管其简单体型最初令人意外，但所有主要系统发育基因组学（phylogenomics）研究均认为双星藻纲（Zygnematophyceae）是陆生植物的藻类姐妹群。双星藻纲是链型藻类中物种最丰富的纲；虽然目前对少数选定双星藻纲成员已有较充足基因组信息，但由于缺乏能够反映该类群多样性并将其整合入系统发育基因组学框架的系统发育多样性（phylodiverse）数据，对基因组分化及关键性状遗传潜力的理解仍受限。研究人员在此对双星藻纲43个新转录组数据集进行测序，并基于总计104个双星藻纲转录组和2243个基因座（loci）构建系统发育基因组学树。研究恢复了双星藻纲深部遗传结构：尽管Spirogyrales与其单细胞姐妹群Desmidiales之间存在深度分裂，大多数Spirogyrales是在显著遗传分化之后出现的，伴随多细胞性的获得以及独特细胞分裂和质体分裂等分化性状。总体而言，研究数据捕捉到大规模古老辐射（ancient radiations）的特征，这些特征只有通过系统发育多样性采样才能揭示。认识双星藻纲的深部遗传分化和广泛演化历史，对于阐明陆生植物藻类祖先的性质至关重要。
研究背景与问题：陆生植物（embryophytes）与其最近缘藻类的最后共同祖先（last common ancestor, LCA）及登陆相关适应性演化，是植物演化生物学的重要问题。双星藻纲（Zygnematophyceae）作为陆生植物最近缘的链型藻类（streptophyte algae），物种最丰富；已有少数选定物种的基因组信息，但目间系统关系、基因组分化及关键性状的遗传潜力仍受限于系统发育多样性（phylodiverse）采样不足。传统分类和近期五目系统虽提供框架，但部分目采样少、遗传多样性低，目间关系未决；陆生植物“遗产基因”在双星藻纲中的分布也因每目仅一两个基因组而覆盖不足。因此，研究人员开展系统采样和系统发育基因组学（phylogenomics）研究，以恢复双星藻纲深部遗传结构，并在该框架下审视多细胞化、细胞与质体分裂及陆生植物共享标志基因的演化。研究构建了基于2243个基因座、104个双星藻纲转录组（transcriptome）的数据集，恢复五个目及深部遗传分化，揭示Spirogyrales的长枝分化、Zygnema属的深分化与目内辐射，以及PYR/PYL/RCAR、CAD、AHK等标志基因的目特异性发生、丢失和扩张。该框架为理解陆生植物藻类祖先及性状动态演化提供了系统发育基因组学基础，并强调进一步全基因组测序的必要性。
关键技术方法（不超过250字）：研究人员从SAG、NIES、ACOI、MZCH和UTEX获取43株双星藻纲藻株，构建43个新转录组；整合公开数据形成104个双星藻纲、9个其他链型藻、8个陆生植物和4个绿藻外群的数据集。RNA测序在Illumina NovaSeq 6000平台完成，Trinity进行de novo组装，BUSCO评估完整性，TransDecoder预测蛋白。系统发育基因组学采用OrthoFinder/OSG、MAFFT和IQ-TREE 3，基于2243个基因座及LG+C60+F+G-PMSF模型构建最大似然（maximum likelihood, ML）树；祖先性状重建（ancestral character state reconstruction, ACSR）采用Phytools等速率模型与Yang重定根法。基因家族分析用BLASTp（阈值10
?7）、MAFFT、IQ-TREE及InterProScan/PFAM注释。
研究结果：
双星藻纲系统发育基因组学框架稳健（The phylogenomic framework of Zygnematophyceae is robust）：基于2243个基因座的ML树恢复了Chloroplastida总体拓扑，叶绿体门与链型植物分别单系，六个链型藻纲单系，双星藻纲为陆生植物姐妹群。树支持五目系统：Desmidiales、Spirogyrales、Zygnematales、Serritaeniales和Spirogloeales；在增加采样和基因数后，Zygnematales与Serritaeniales为姐妹群。传统Zygnematales被拆分为Spirogyrales、Serritaeniales和修订后的Zygnematales，部分单细胞类群（Mesotaenium、Cylindrocystis）转入新目，多数其他单细胞类群留在Desmidiales；Spirogloeales仍仅由Spiroglaea muscicola代表。以该树为骨架的ACSR显示，双星藻纲LCA为单细胞（后验概率PP=0.988）；共推断七次向丝状生长型转变，其中仅两次古老：Spirogyrales的LCA（PP=0.950）和Zygnema属的LCA（PP=0.970）。
现存Spirogyrales出现前存在显著遗传分化（Pronounced genetic divergence before the emergence of extant Spirogyrales）：树中包含25个Spirogyra分类单元的Spirogyrales为单系，并与Desmidiales互为姐妹群；通向现存Spirogyrales的枝长约为通向Desmidiales枝长的6.2倍。系统发育树恢复七个高支持Spirogyra clade，与Takano等基于rbcL和atpB的结果基本对应，但clade VI因公共培养物中无可用菌株而缺失；研究还发现一个含三株的新clade（NIES-4303 Sp. corrugata、NIES-4314 Sp. punctata、SAG 169.80 Spirogyra sp.）。Sirogonium嵌套于Spirogyra内，支持其由螺旋叶绿体性状衍生。研究人员指出，长枝可由Spirogyrales内大量灭绝、未采样/未描述多样性、分子演化加速、选择压力异质、组成偏倚或转录组数据偏倚等非互斥情形解释，当前拓扑不能区分这些解释；若主要反映灭绝和/或未采样多样性，则现存Spirogyrales LCA之前可能已出现螺旋叶绿体、基因组精简和独特细胞分裂机制等性状并在幸存谱系中保留，这与ACSR推断的古老丝状生长型一致，但仍需更广采样和更好基因组资源检验。
Zygnema属深部遗传结构与近期辐射爆发（Deep genetic structure and recent bursts of radiations in the genus Zygnema）：Zygnema以两个星形叶绿体、各具一个中央蛋白核为特征，ACSR恢复其为祖先丝状。基于rbcL的系统发育曾将已研究材料分为三支；本系统发育基因组学研究确认三个类群：Z. circumcarinatum-、Z. cylindricum-和Z. peliosporum-groups。第一支仅含Z. circumcarinatum（SAG 698-1b）和Z. tunetanum（CPCC-136，原归Zygogonium）；SAG 698-1a原被标为Z. circumcarinatum的“b”交配型（现Z. sp. ‘cylindricum’）位于第二支，提示藻类培养物历史转移错误；多数研究菌株属于第三支。研究恢复Zygnema为单系，并解析出Zygnema亚支之外的多个高支持谱系，包括Zygnemopsis与Cylindrocystis cushleckae及Mesotaenium kramstae、Mougeotia与Mesotaenium caldariorum（Meso-9）、Cylindrocystis brebissonii，以及位于所有其他Zygnematales之外的Mesotaenium pyrenoidosum（Meso-4）。Zygnema与Zygnemopsis不能靠营养丝状体区分，而靠Zygnemopsis配子囊周围黏液；但树中菌株未观察到有性生殖，无法进行种级归属。Zygnema各clade彼此深分化，与Feng等分子钟分析一致，Z. circumcarinatum与Z. cylindricum分化约在236 ± 5百万年前；每个clade又经历显著辐射。
陆生植物与双星藻纲共享标志基因的目特异性出现（Order-specific occurrence of signature genes shared by land plants and zygnematophytes）：研究人员利用扩展采样分析脱落酸（ABA）受体同源基因PYR/PYL/RCAR。ML树显示，Mesotaenium endlicherianum SAG 12.97与Zygnema circumcarinatum SAG 698-1b中已表征的PYL同源基因分别落入Serritaeniales和Zygnematales的PYL同源单系，并包括Zygnemopsis等远缘类群；但在其他目中未检测到同源基因，提示PYL可能发生目特异性丢失（Spirogloeales一次，Desmidiales与Spirogyrales共同祖先一次），确认缺失仍需更广分类采样和连续基因组组装而非主要依赖转录组数据。该谱系特异性发生与PYL–PP2C–SnRK2同源骨架广泛重连、可能并非核心级联的观点一致，也符合生长素等其他植物激素信号系统模块化组装的认识。对苯丙烷代谢途径骨架，肉桂醇脱氢酶（CINNAMYL ALCOHOL DEHYDROGENASE, CAD）同源基因在双星藻纲中未落入陆生植物类别，而形成多个各具丰富多样性的单系，支持CAD存在于双星藻纲与陆生植物LCA；其底物和动力学仍需实验确定，蛋白结构预测提示链型藻CAD更像芥子醇脱氢酶（SADs），而CAD同源基因在胁迫下差异调控并在双星藻纲辐射，可能是其化学多样性的潜在关键参与者。对磷酸中继信号，拟南芥组氨酸激酶（ARABIDOPSIS HISTIDINE KINASES, AHK）同源基因在双星藻纲呈谱系依赖的大量扩张；所有clade均含Response_reg、HisKA和HATPase_c结构域，AHK1和AHK5为清晰直系同源单系，AHK2、3、4存在多个共直系同源；在陆生植物特异clade之外，双星藻纲含CHASE结构域的组氨酸激酶大量扩张。研究还鉴定出多个含PAS折叠/结构域的组氨酸激酶，PAS结构域广泛存在并参与植物光感知；非光敏色素PAS组氨酸激酶也存在于Physcomitrium patens、其他非种子植物和Klebsormidium nitens中，在Physcomitrium受光调控并参与配子托发育；研究在双星藻纲PAS激酶clade中恢复Ryo等鉴定的五个Klebsormidium PAS激酶中的三个，并在含AHK5的clade中鉴定PAS结构域组氨酸激酶，其中多数PAS结构域对应双星藻纲序列。总体上，双星藻纲具有丰富多样的AHK库，提示广泛胞内信号传导；共享的“陆生植物遗产基因”工具箱只有在考虑丢失和分化的系统发育多样性数据中才能把握，且呈现目依赖的丢失和扩张模式，支持进一步开展双星藻纲全基因组测序。
讨论与结论（Concluding remarks: Dynamic trait evolution in zygnematophytes）：作者总结，该研究为双星藻纲建立了稳健的系统发育基因组学框架；尽管数据集较全面，仍只覆盖4000余种中的一部分，包括高度多样的Desmidiales和不可培养的极端嗜性双星藻纲。框架恢复显著深部遗传分化，这不仅体现在树中遗传距离，也体现在标志性状基因的目特异性发生和目内辐射以及基因组中强还原性演化力量，并与细胞特征和生长模式多样性相呼应，包括单细胞与多细胞体型、分裂模式和质体形态的反复转变。数据支持双星藻纲LCA为祖先单细胞（PP=0.988；陆生植物与双星藻纲LCA的体型未能稳健推断）。向多细胞性的转变多次独立发生，少数古老转变位于Spirogyra、Zygnema和Mougeotia等经典丝状属的LCA。多次转变提示快速演化模式，可能通过基因表达调控和蛋白–蛋白互作网络改变重连既有组分；双星藻纲还包含真正的丝状体以及由多样复杂分裂方式形成的鼓藻链状丝状体，其胞质分裂机制同源性仍不清楚。作者推断有七次向丝状体型的转变，更广泛采样可能增加。研究结论译文：需要采用考虑丢失和不稳定性（部分可能环境诱导）的比较性系统发育多样性方法，以可靠界定藻类与所有陆生植物LCA的共有衍征。
