近日，福建农林大学林思祖/刘仲健团队联合比利时根特大学、美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、百迈客生物等国内外科研团队，在历经近十年攻关研究后，成功破译杉木全基因组，研究成果Cunninghamia lanceolategenome illuminates the evolutionary dynamics of gymnosperms发表于国际知名期刊Cell Reports。
这是该团队在2022年10月发表杉木基因组研究成果的基础上，进一步整合杉木和其他裸子植物基因组数据，揭示裸子植物的演化动态和杉木种群历史、繁殖器官的发育调控、涩粉形成等特有性状的分子调控机制，为杉木的分子繁育和栽培提供新的方法。百迈客生物创始人兼CEO郑洪坤作为共同通讯参与了该项研究，同时百迈客生物高级生信工程师夏正保，销售工程师刘志伟为该论文的共同作者。
研究背景
杉木（Cunninghamia lanceolata）是我国人工林面积和蓄积量最大的树种，在保障国家木材安全、构筑南方生态屏障、推动林业产业高质量发展中具有不可替代的重要作用。作为起源于中生代晚侏罗纪的古老孑遗植物，杉木基因组庞大且复杂，重复序列占比高，加上裸子植物特有的复杂基因组结构，使得高质量基因组的解析成为制约杉木基础生物学研究图谱的阻碍，也极大限制了杉木精准分子育种技术的应用。
研究结果
研究团队利用PacBio单分子测序、Hi-C染色质构象捕获、Illumina高通量测序及转录组辅助注释等技术，获得11.24 Gb的杉木基因组序列，组装到11条（1C）染色体水平上（长度从0.64Gb到1.55Gb），并注释出37,225个蛋白编码基因。这一成果为裸子植物比较基因组学和演化生物学研究提供了关键数据基础。基于高质量的杉木基因组，研究团队将杉木基因组与云杉、银杏、苏铁等代表性裸子植物进行系统比较，揭示了杉木及裸子植物共有的基因家族扩张与收缩规律，精准界定杉木在广义柏科中的系统发育位置，进而完善了裸子植物演化谱系：明确银杏-苏铁为针叶类群的姊妹类群；在针叶类群内部，买麻藤-百岁兰支系与松科支系互为姊妹类群，二者共同构成柏科植物的姊妹类群，这些发现深化了对裸子植物基因组演化动力学的认知。
图1 杉木基因组进化历史
研究发现，杉木大基因组的形成关键在于长末端重复序列（LTR）的插入和去除机制的缺失。通过整合裸子植物基因组学数据，结果表明种子植物共享一次全基因组加倍（WGD）事件，杉木未发生物种特有的加倍事件。同时，通过种群演化溯源分析，还原了杉木冰期避难所与潜在扩散路径，我国台湾以及越南、日本等地杉木种质源自中国大陆，表明中国横断山脉是杉木冰期后原生种质的核心起源地。
该研究揭示了杉木雄性和雌性繁殖器官发育调控的分子机制，从基因组层面上建立了杉木和裸子植物的繁殖器官的AB（C）调控模式，裸子植物和被子植物作为姐妹类群，裸子植物的有性繁殖器官与被子植物花形态的差异在于D类和E类的MADS-box基因的缺乏。
图2 种子植物的全基因组复制（WGD）事件
图3 杉木种群分化历史
图4 杉木繁殖器官基因分析
为解释杉木涩籽这一特殊败育类型，团队整合种子发育过程显微观测、代谢物积累动态和转录表达水平数据，提出杉木涩籽的发生包含两个阶段，胚胎缺陷基因（embryo-defective genes，EMBs）和类黄酮生物合成相关基因的异常表达分别是胚胎败育与涩籽物质积累阶段的标志性基因表达事件。团队进一步在拟南芥中验证了ClLAR、ClANR、ClDET2和ClBZR1基因对种子发育的影响，证实这些基因可能对涩籽发育起到关键作用。基因序列比对结果发现，日本杉木中ClANR同源基因（Cl08429）因突变产生终止密码子导致假基因化，可能对日本杉木的涩籽率产生影响。此外，研究还解析了杉木特有涩籽性状的形成机制，验证了裸子植物生殖器官发育演化模型，丰富了裸子植物生殖发育领域的基础研究。
图5 杉木涩籽形成的潜在基因调控机制
研究总结
该研究是杉木基础生物学领域的重要突破，补齐了杉木分子遗传研究的短板，为杉木重要性状遗传解析和精准分子育种提供了权威的基因组参考。
杉木高质量基因组的破译，极大丰富了全球裸子植物演化研究体系，为世界范围内林木遗传育种提供了可参考的技术路径，标志着杉木育种研究迈入了基因组选择与分子设计的新阶段。
这一成果为实现杉木早期选择、缩短育种周期、提高育种效率提供了技术支撑，也为基因编辑技术在杉木的应用铺平了道路，将为杉木人工林高质量发展注入新的科技动能。
做基因组，认准百迈客生物！
百迈客生物自2015年率先在国内引入PacBio三代测序平台，深耕基因组与群体遗传学研究十余载。依托测序平台迭代与组装算法持续优化，公司不断打磨基因组组装核心技术，攻克复杂基因组组装难点，在多倍体物种基因组解析领域形成鲜明技术壁垒，已助力黑麦、棉花、花生、甘蔗、金鱼等大量多倍体复杂物种完成基因组测序并成果见刊；同时在超大基因组、端粒到端粒（T2T）无缺口基因组组装方向积累了丰富的项目经验。迄今为止，公司基因组科研项目累计发表SCI论文300余篇，总影响因子突破3000，扎实的发文成果充分体现了百迈客生物在前沿基因组学科研服务领域的深厚实力。
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