彩色马蹄莲单体型基因组解析揭示天南星科物种进化新见解：转座子插入、全基因组复制与陆生适应关键基因家族扩张

《Molecular Horticulture》：Haplotype-resolved genome assembly of the colored calla lily (Zantedeschia elliottiana) provides new insights into the evolution of the family Araceae

这篇研究通过构建首个彩色马蹄莲（Zantedeschia elliottiana）的单体型基因组，填补了该重要观赏植物缺乏高质量基因组的空白。文章揭示了天南星科物种间基因组大小的差异主要由转座子（TE）插入驱动，并证实了该科在物种分化前经历了两次紧密相连的全基因组复制（WGD）事件。研究发现，在陆生的“真正天南星科”（True Araceae）物种中，与木质素合成酶（LAC， POX）、纤维素合成酶（CES）、扩张蛋白（EXP）及糖转运蛋白（STP， SWEET）相关的基因家族发生了显著扩张，这些扩张可能与植物的陆地环境适应及块茎淀粉积累密切相关。此外，研究者还鉴定出一个关键的MIKCC型MADS-box基因Ze10G361300，其可能对佛焰苞（spathe）发育起着至关重要的调控作用。这些发现不仅为理解天南星科的进化史提供了新的基因组学视角，也为彩色马蹄莲的功能基因组学研究和分子育种奠定了重要的数据基础。

　　

基因组组装与质量评估

研究团队利用ONT超长读长、PacBio HiFi、Illumina paired-end和Hi-C测序数据，成功组装了彩色马蹄莲（栽培品种“京彩阳光”）的单体型基因组和嵌合基因组。通过Hi-C技术将contig锚定到染色体上，最终得到大小为2.31 Gb的单体型组装（分为单倍型A和B，各16条染色体）和1.15 Gb的、无间隙的嵌合基因组组装。两种组装的完整性、连续性和基因注释完整性均极高，为后续分析提供了高质量的基础数据。

单倍型A与B的基因组比较

对单倍型A（Hap A）和单倍型B（Hap B）的详细比较发现了二者之间存在广泛的基因组变异，包括约1.82 Gb的共线性区域、246处倒位、613处易位和280处重复。这些结构变异影响了大量基因，京都基因与基因组百科全书（KEGG）分析表明，受影响的基因富集于氰基氨基酸代谢、甘油脂代谢和脂肪酸降解等通路。其中，涉及涝渍胁迫抗性的乙醇脱氢酶基因、调控甘油三酯水解与合成的酰基甘油脂肪酶（AGL）和二酰基甘油酰基转移酶1（DGAT1）基因的结构变异，可能直接影响彩色马蹄莲的环境适应性。

天南星科物种的长末端重复反转录转座子分析

研究分析了包括彩色马蹄莲在内的7种天南星科植物，发现长末端重复反转录转座子（LTR-RT）的插入是导致该科物种间基因组大小差异的重要原因。其中，Gypsy型LTR-RT（特别是Tekay和Ogre亚家族）的扩张在“真正天南星科”物种中相对保守，而浮萍亚科（Lemnoideae）植物的LTR-RT插入较少，这可能是其基因组相对较小的原因。值得注意的是，同样是水生植物的水萍（Pistia stratiotes）作为“真正天南星科”成员，其LTR-RT插入也较少，这表明物种分化并不能完全决定其最终的生存环境。

基因家族扩张、收缩与系统发育树构建

基于13个物种（包含9种天南星科植物）的单拷贝同源基因构建的系统发育树显示，天南星科的祖先物种出现在约1.178-1.298亿年前（MYA）。浮萍亚科与“真正天南星科”的分化发生在约8260万-1.045亿年前，而彩色马蹄莲的分化时间较早（约7240万年前），表明天南星科植物在早期就已具备陆生潜力。基因家族分析显示，彩色马蹄莲发生了308个基因家族的扩张和33个基因家族的收缩。在“真正天南星科”物种中，共有5979个基因家族是保守的，而彩色马蹄莲特有1075个基因家族，这些特有基因家族可能参与了黄酮醇生物合成和O-聚糖生物合成，从而增强了植物的抗氧化能力和细胞壁机械强度。

全基因组复制与共线性分析

对多个天南星科物种进行Ks分析发现，所有物种的Ks分布均呈现单一的明显峰值，这很可能是由于该科物种在分化前经历的两轮紧密相连的全基因组复制事件（即α^SP和β^SP事件）时间间隔过近所致。基因组共线性分析进一步揭示了天南星科物种间存在广泛的染色体重排，这可能是该科物种多样性的重要遗传基础。

天南星科物种形态发生与植物结构的差异

木质素（lignin）和纤维素（cellulose）是植物细胞壁的关键组分，对维持植物形态至关重要。研究发现，“真正天南星科”物种的木质素生物合成途径相关基因（如过氧化物酶POX、漆酶LAC、咖啡酸-O-甲基转移酶CCoAOMT）数量显著多于浮萍等水生近缘种。漆酶（LAC）基因在“真正天南星科”物种中不仅数量多，而且在彩色马蹄莲的茎中高表达，并且存在串联重复现象（尤其在A. konjac， C. esculenta和Z. elliottiana中），这表明它们在增强植物结构强度方面发挥了重要作用。

纤维素合成酶（CES）基因和扩张蛋白（EXP）基因家族，尤其是EXPA亚家族，在“真正天南星科”物种中也发生了显著扩张。纤维素含量的增加有助于细胞形态维持，而扩张蛋白参与细胞壁松弛，对植物响应逆境、调节根系发育和直立生长至关重要。这些基因家族的扩增，被认为是“真正天南星科”陆生植物适应更为严苛陆地环境（如干旱、强光）的关键分子机制。

块茎中的淀粉积累

彩色马蹄莲、魔芋（Amorphophallus konjac）、芋头（Colocasia esculenta）和掌叶半夏（Pinellia pedatisecta）等“真正天南星科”植物都具有富含淀粉的块茎，而浮萍、水萍等水生植物则无此特征。淀粉合成酶的数量在这些物种间并无显著差异，但研究发现，与蔗糖转运相关的糖转运蛋白基因家族，特别是STP和SWEET家族，在含有块茎的陆生天南星科物种中发生了显著扩张。系统发育树显示，在块茎植物中，STP基因的Clade I分支发生了特异性扩张。转录组分析进一步证实，一些特定的STP和SWEET基因在彩色马蹄莲的各个组织中均有表达，可能在将叶片合成的蔗糖高效转运至块茎，促进淀粉积累的过程中扮演了关键角色。

彩色马蹄莲佛焰苞的发育

佛焰苞是天南星科植物的标志性花部器官。研究鉴定了天南星科物种中的MIKC^C型MADS-box基因，发现浮萍亚科植物的MIKC^C基因数量远少于“真正天南星科”，这与其开花稀少的特点相符。值得注意的是，在拟南芥中作为关键开花抑制因子的开花位点C（FLC）基因，仅在彩色马蹄莲和魔芋中被发现。研究者推测，天南星科在分化过程中可能丢失了大部分FLC基因，这或许解释了其开花过程不依赖于低温调控的现象。通过在彩色马蹄莲八个不同组织中分析MIKC^C基因的表达谱，研究者发现AGAMOUS（AG）基因在雌蕊中特异性高表达。更重要的是，AGL2亚家族的基因Ze10G361300在佛焰苞中呈现出最高的表达水平。对不同发育阶段的佛焰苞进行转录组测序和RT-qPCR验证均表明，Ze10G361300的表达量随着佛焰苞的发育进程而持续升高，这强烈暗示该基因是调控彩色马蹄莲佛焰苞发育的关键基因。