《Plant Diversity》：A chromosome-scale genome assembly of the aquatic plant
Scheuchzeria palustris in the Boreal-Arctic region: Insights into genome evolution and cold adaptation
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北方-北极地区（Boreal-Arctic）拥有由极端气候约束塑造的独特植物区系，包括漫长冬季、缩短生长季以及最寒冷地区存在的永久冻土。湿地遍布该区域，支撑着水生植物生存与生态系统完整性。与低纬度同域植物相比，北方-北极植物特别是湿地植物，在未来气候变化与其他
北方-北极地区（Boreal-Arctic）拥有由极端气候约束塑造的独特植物区系，包括漫长冬季、缩短生长季以及最寒冷地区存在的永久冻土。湿地遍布该区域，支撑着水生植物生存与生态系统完整性。与低纬度同域植物相比，北方-北极植物特别是湿地植物，在未来气候变化与其他人为干扰下被认为更易遭受栖息地丧失和局部灭绝。因此，推进北方-北极植物保护研究已成为紧迫议题。近年来，高通量测序技术的进步，尤其是能够捕获基因组上几乎所有核苷酸变异的全基因组测序（whole-genome sequencing, WGS），开启了保护基因组学时代。尽管对北方-北极保护基因组学的关注有所增加，但多数研究集中于落叶松、银桦和针叶树等陆生乔木树种，而对湿地水生植物的基因组研究极为匮乏。芝草（Scheuchzeria palustris）是水生单子叶植物科Scheuchzeriaceae（泽泻目Alismatales）唯一现存物种，主要分布于欧洲、亚洲和北美北方及北极地区的开阔泥炭藓沼泽和湿地。历史上，该物种依据地理分布被分为两个亚种：欧亚亚种S. palustris subsp. palustris和北美亚种S. palustris subsp. americana，但近期分类处理未承认亚种划分。跨洲种群是否存在显著遗传分化仍不明确。目前，芝草在全球尺度被IUCN评估为“无危”，但分布区南缘种群面临气候变化、栖息地退化与人类活动威胁，已在多个欧洲国家被列为濒危物种，在中国被列为国家二级保护植物。尽管具有生态重要性，泽泻目基因组研究集中于沉水适应类群，如海洋海草和淡水水生植物，这些类群普遍表现出加速基因丢失和基因组重组；而芝草作为沼泽适应物种，其形态与生理特征介于沉水植物与完全陆生单子叶植物之间，占据关键但研究不足的生态与进化生态位。此前研究涉及其花结构、生态性状和系统发育位置，但缺乏高质量基因组数据，阻碍了对其遗传基础、适应进化和保护的深入研究。研究人员在此报道了利用PacBio测序、Illumina测序和Hi-C技术生成的芝草高质量、染色体水平基因组组装，并对来自欧洲（瑞士、法国、芬兰）、北美（加拿大、美国）和亚洲（中国）的若干标本馆标本进行了重测序。研究旨在刻画其基因组结构与进化、遗传结构和冷适应潜力。这些发现填补了北方-北极水生植物基因组研究的关键空白，并为高纬度湿地物种的保护和适应提供了宝贵见解。该高质量基因组组装与注释也将为研究单子叶植物泽泻目的进化历史与适应提供重要资源。
本文解读的是一项关于北方-北极地区水生植物芝草（Scheuchzeria palustris）的染色体水平基因组研究。该研究旨在填补北方-北极湿地水生植物基因组学研究的空白，并揭示这一关键物种的基因组进化、遗传结构及冷适应机制。
### 研究背景与目的
北方-北极地区气候极端，湿地植物对栖息地丧失和气候变化的脆弱性高于低纬度植物，保护基因组学研究因此成为紧迫任务。然而已有基因组研究多集中于陆生乔木，湿地水生植物基因组数据极为缺乏。泽泻目（Alismatales）的基因组研究主要聚焦于沉水植物，如海草和淡水水草，这些类群显示出适应性基因丢失和基因组重组；而芝草作为沼泽适应物种，形态和生理特征介于沉水与陆生类群之间，占据独特且研究不足的生态位。此前缺乏高质量基因组数据，限制了对该物种遗传基础、适应进化和保护的研究。为此，研究人员对芝草进行了染色体水平基因组组装，并结合重测序数据，对其基因组结构、进化、群体分化及冷适应相关基因家族进行了系统分析。
### 关键技术方法概述
研究对象样本采集自中国吉林省长春市（42.48°N, 128.67°E）自然种群，并栽培于中国科学院武汉植物园种质资源圃。研究利用PacBio HiFi长读长、Illumina短读长和Hi-C技术进行基因组组装与染色体支架搭建；采用流式细胞术和k-mer分析估计基因组大小；结合从头预测、同源搜索和转录组证据进行基因注释。系统发育分析基于18个相关基因组，冷适应分析基于生态位建模和四类冷响应基因家族拷贝数变异检测。群体遗传学分析基于11份来自欧洲、北美和亚洲的标本馆标本的全基因组重测序数据，涵盖瑞士、法国、芬兰、加拿大、美国和中国。
### 研究结果
（1）**基因组组装与注释**
研究人员获得519.32 Mb的草稿基因组，其中508.48 Mb（97.91%）被锚定至11条假染色体，scaffold N50为45.33 Mb，BUSCO完整度为99.4%，质量值（QV）为53.75，Illumina短读长和PacBio HiFi长读长比对率分别达99.97%和99.99%，表明组装高度准确和完整。基因组重复序列占比60.17%，以长末端重复序列（LTR）为主。预测到25,328个蛋白编码基因，其中22,678个获得功能注释。
（2）**系统发育与基因家族进化**
基于333个单拷贝直系同源组构建的系统发育树支持芝草位于泽泻目分支中，分化时间约为99.38百万年前（95% HPD：83.38–115.47 Ma），对应白垩纪中期。比较基因组分析鉴定出1,415个扩张和1,484个收缩基因家族，扩张家族显著富集于蛋白质磷酸化、植物次生代谢物生物合成、戊糖和葡萄糖醛酸互变等通路。
（3）**全基因组复制与共线性分析**
同义替换率（Ks）分布显示芝草在Ks≈0.90处存在单一峰值，与海草Posidonia oceanica和Cymodocea nodosa的古老峰对应，提示共享祖先全基因组复制事件。染色体内共线性分析显示1:3共线性比例，与上述海草的种间比较分别呈2:2和2:4比例，表明泽泻目共同经历了一次全基因组三倍化（WGT），而C. nodosa还经历了谱系特异的额外全基因组加倍。芝草保留了极高比例的WGT衍生共线性基因，例如与单子叶外类群菖蒲相比保留了14,273个共线性基因，显著高于大叶藻（Zostera marina，约8,689个）和泰来草（Thalassia testudinum，约10,964个），提示其稳定湿地生态位可能促进了祖先基因组结构的长期保留。
（4）**生态位建模与气候适应性**
利用Maxent和biomod2集合模型对芝草在四个气候情景下的潜在分布进行预测，结果表明年均温（BIO1）是决定分布的首要因子；自上新世中期至今，适宜栖息地持续向高纬度收缩，且未来仍将减少。物种热生态位比较显示，芝草与北方或水生植物聚类于温度梯度较冷的一端，表明长期寒冷选择压力可能塑造了其基因组特征。
（5）**冷适应基因家族拷贝数变异**
对COLD1、CSD、COR和WCOR413四类已知冷适应相关基因家族的分析显示，包括芝草在内的冷生态位物种普遍携带更高拷贝数。其中，WCOR413拷贝数与物种年均温中位数显著负相关（Spearman ρ=－0.44，P=0.025），CSD也表现出相似趋势（ρ=－0.34，P=0.076）。芝草中一个含冷休克结构域（CSD）的直系同源组显著扩张，包含七个基因。这些拷贝数变异可能通过功能冗余或剂量效应参与冷驯化，但直接的实验验证仍待开展。
（6）**群体遗传结构与跨洲分化**
对11份重测序样本的最大似然系统发育树显示两个地理谱系：Group I（欧亚）和Group II（北美）。主成分分析（PCA）前两轴解释了70.05%的变异，明确区分两组；ADMIXTURE分析的最佳K值为2，两组间几乎无混合。这一跨洲遗传分化为历史上基于地理分布的亚种划分提供了分子佐证，但当前样本量较小，仅能视为初步证据。
### 总结讨论与结论
研究讨论指出，芝草保留大量WGT衍生共线性片段可能与其长期稳定的北方湿地生态位有关，这与海草等因栖息地转变而经历快速基因组重排形成对比。冷适应基因家族的扩张与低温生态位之间的关联，支持拷贝数变异可能参与高纬度适应，但其功能机制需未来验证。欧亚与北美谱系的深层分化可能与物种多年生习性、营养繁殖及北方泥炭地栖息地破碎化共同限制基因流有关。研究最终得出结论：高质量染色体水平基因组填补了北方-北极水生植物基因组学空白；WGT共线性的高保留为理解泽泻目核型进化提供了参考；两个大陆谱系的存在为历史亚种划分提供了分子基础；冷响应基因家族的扩张为高纬度适应提供了基因组证据。该研究为保护生物学和进化基因组学提供了重要资源，未来需结合T2T基因组、广泛群体样本和候选基因功能验证进一步深化。
