科學家揭示百歲蘭群體間基因組的分化機制和XY型性別決定系統

1月13日，中國科學院植物研究所研究員汪小全團隊與合作者在《細胞報告》（Cell Reports）上發表最新研究，揭示了裸子植物百歲蘭局域分布群體間基因組分化的機制和性別決定系統。

百歲蘭是裸子植物中買麻藤類百歲蘭科的唯一現存物種，又名千歲蘭，被國際植物學會列為世界八大珍稀植物之一。其形態極為獨特，一生僅有兩片葉，持續生長不脫落，個體壽命可長達3000年，是已知壽命最長的植物之一。

百歲蘭僅分布于非洲西南部的納米布沙漠，其分布區沿大西洋海岸南北延伸超1000公里，形成多個片段化的分布區域。已有研究表明，其群體在這些區域間發生了顯著的遺傳分化。汪小全團隊通過野外實地考察發現，該物種地理距離很近的群體間也在生境、物候期等方面發生了顯著分化。

這引起了研究團隊的思考：該分化在基因組上有何表現？驅動分化的生物和非生物因子是什么？此外，百歲蘭是功能性雌雄異株植物，個體或產生具可育雄蕊和不育胚珠的兩性球花，或僅產生具可育胚珠的雌球花。這一性狀在買麻藤類中具有一定的代表性，卻明顯不同于大多數裸子植物的單性球花結構。百歲蘭性別決定的分子機制是什么？

為了破解這些謎團，汪小全團隊利用已經測序的百歲蘭基因組，對該物種分布于納米布沙漠南端地理距離很近的5個群體130個個體進行了全基因組重測序，開展了群體基因組比較和環境因子等綜合分析。

研究顯示，基因組在這些群體間發生了顯著分化，地理隔離是重要驅動力，其通過限制基因流直接導致了譜系間的遺傳分化，環境因素，尤其是土壤異質性，在群體分化中也具有重要作用。同時，百歲蘭以蟲媒傳粉為主、傳粉動物的飛行力弱，并靠水力協助擴散種子。這些特性也限制了群體間的基因交流，加強了群體間遺傳分化。

通過基因組變異檢測，研究人員發現群體間的基因組分化景觀呈現高度異質性，基因組島嶼廣泛分布于整個基因組，這主要歸因于祖先多態的差異分選和搭車效應。

此外，通過對30株雄性和30株雌性百歲蘭個體的全基因組關聯分析，研究人員發現其性別決定系統為XY型，性別連鎖區域位于6號染色體的72.04-92.82 Mb。有趣的是，在該區域中并未發現已知在其他裸子植物性別決定中起關鍵作用的MADS-box基因家族成員。百歲蘭科的XY型性別決定系統這一發現，結合基部裸子植物類群同樣為XY型性別決定系統等證據，暗示著裸子植物的共同祖先可能是XY型性別決定系統。

該研究揭示了百歲蘭局域分布群體間基因組的分化式樣和機制，確定了其性別決定系統和性別連鎖區域，對理解裸子植物局域群體遺傳分化和適應以及性別決定系統和性染色體進化等具有重要意義，也為百歲蘭這一珍稀植物的保護策略制定奠定了科學基礎。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2025.116836