華南植物園對石松類和蕨類植物的基因組大小與進化研究取得新進展
基因組的大小與物種進化之間的關系一直以來都受到學者的廣泛關注?；蚪M作為遺傳信息的載體, 其大小也不可避免地逐步增加。已有的研究顯示基因組的大小同物種的進化程度之間存在一定的正相關關系。從大尺度的分類水平來看，基因組大小和物種復雜程度在總的趨勢上呈正相關性。然而隨著研究的深入，人們發現基因組的大小和物種的進化復雜度之間沒有嚴格的對應關系，這就是所謂的“C值悖論”。這使人們對“基因組越大，生物進化越高等”的觀點產生了疑問，也體現了物種基因組大小與物種進化之間的復雜性。
與其他陸生植物相比，石松類和蕨類植物的染色體數目多、基因組巨大，是植物界中一個令人驚奇的現象。然而，關于蕨類植物如何擁有如此大的基因組，我們仍知之甚少。比如，目前蕨類中最大基因組植物松葉蕨（Psilotum nudum），其大小為142.4Gb。此外，蕨類中也有基因組很小的物種，比如滿江紅屬（Azolla）植物，其基因組大小為0.9-1.5Gb。由于復雜的基因組組成和普遍的多倍化，至今蕨類植物中很少有種類開展全基因組的測序。
中科院華南植物園植物中心王發國研究員等科研人員，為了探索蕨類植物為何具有極高的染色體數量和較大的基因組，通過流式細胞術測量了240種石松類和蕨類植物的基因組大小，隸屬于27科72屬，其中228種為首次測定的結果。在石松類和蕨類植物的系統發育框架內分析了基因組大小、孢子大小、染色體特征、系統發育信號和生境類型偏好之間的相關性。同時，對生境類型進行了祖先特征重建，并測試了基因組大小是否隨生境類型的變化而改變。結果表明：（1）基因組大小的系統發育信號較弱，但染色體基數（x）的系統發育信號較強，基因組大小與物種染色體性狀為正相關。表明染色體基數、染色體大小和多倍體化可能是蕨類植物基因組擴增的主要因素。（2）不同生境類型的基因組大小差異顯著，且與生境類型顯著相關，回歸分析表明基因組較大的物種更有可能是附生植物，推斷陸生生境為現存蕨類和石松類植物的祖先，生境類型的變化伴隨著一段時間的基因組穩定性?？蒲腥藛T推測，生境類型的變化和多重全基因組復制在蕨類及其近緣類群的進化史中促成了大型基因組的形成。
相關研究結果已近期在線發表在國際學術刊物Plant Diversity 上。該成果由中科院華南植物園物種多樣性保育研究組、上海辰山植物園、陜西師范大學、南寧師范大學、深圳蘭科植物保護研究中心等單位共同完成。該研究得到了國家自然科學基金等項目的資助。文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.pld.2021.11.007
圖1. 石松類和蕨類植物96屬的基因組大小、染色體數目、染色體基數和倍性水平的系統發育分析。
圖2. 基因組大小與染色體特征的相關性回歸分析。
圖3. 基于石松類和蕨類植物96屬系統發育的不同生境類型祖先狀態重建。
圖4. 基因組大小與生境類型在單位時間（百萬年，Ma）變化概率之間的關系
A 假設1：生境類型的變化發生在基因組大小變化之前；B 假設2：生境類型和基因組大小變化同時發生；
C 假設3：生境類型的變化發生在基因組大小變化之后。
