首个染色体水平双扇蕨基因组揭示中生代孑遗植物的演化与药用价值

《Scientific Data》：The chromosome-level genome assembly of Broad-Leaf Fern (Dipteris shenzhenensis)

编辑推荐：深圳大学团队破解双扇蕨属基因组难题！通过PacBio HiFi（35×）、Hi-C（134×）和Illumina（56×）多组学技术，完成濒危物种深圳双扇蕨（Dipteris shenzhenensis）1.9Gb染色体水平基因组组装（contig N50=4.75Mb），锚定33条假染色体，发现71.97%重复序列和26,471个功能基因。该研究为揭示蕨类系统演化、中生代古气候重建及抗阿尔茨海默病活性物质开发提供关键基因组资源，成果发表于《Scientific Data》。

　　

在蕨类植物的演化长河中，双扇蕨属（Dipteris）犹如一部活化石，其扇形分裂的叶片记录着中生代全球气候变迁的秘密。这个现存仅8种的古老类群，曾是地球植被的重要指示者，其化石分布范围远超现今局限的印马群岛栖息地。更引人注目的是，双扇蕨的根茎在传统医学中用于治疗水肿、肾虚和腰痛，其提取物更显示出抗阿尔茨海默病的潜力。然而，基因组资源的匮乏严重阻碍了科学家探索其系统演化地位、古气候指示价值以及药用活性成分合成通路的步伐。

深圳大学生命与海洋科学学院黄腾波、严岳鸿团队联合深圳市兰科植物保护研究中心，针对中国特有濒危物种深圳双扇蕨（Dipteris shenzhenensis）展开攻关。研究人员采用多组学技术策略，通过流式细胞术（2.14Gb）和k-mer分析（1.94Gb）精确估算基因组大小，结合PacBio HiFi长读长（35×覆盖度）、Hi-C染色体构象捕获（134×）和Illumina短读长（56×）测序技术，成功构建了首个染色体水平的双扇蕨基因组。该基因组组装大小1.9Gb，contig N50达4.75Mb，通过ALLHiC算法将98.37%序列锚定至33条假染色体，与流式结果高度一致。

关键技术方法包括：采用Hifiasm进行HiFi reads组装，结合Hi-C数据通过ALLHiC完成染色体挂载；使用EDTA v2.2.2分析重复序列，LTR_FINDER预测反转录转座子；通过整合Augustus、GlimmerHMM等五种算法预测基因结构，并利用根/球茎/叶转录组数据辅助注释；采用BUSCO（98.3%完整度）和OMArk（92.58%保守HOGs）评估组装质量，MERQURY验证序列准确性（QV=37.986）。

基因组特征分析揭示：重复序列占比高达71.97%，其中LTR反转录转座子（36.82%）和DNA转座子（22.33%）为主力军。通过LTR插入时间估算，发现最近一次转座爆发发生在0.24百万年前。特别值得注意的是，研究团队在33条假染色体上鉴定出45个端粒结构，其中15条染色体呈现完整端粒对。基因预测获得26,471个蛋白质编码基因，92.5%获得功能注释，平均CDS长度1,164bp，同时鉴定出5,063个miRNA等11,215个非编码RNA。

这项研究的突破性发现在于：首次解析了双扇蕨属基因组中控制"孢子囊环带"（sporangial annulus）从水平向垂直演化的关键基因群，为理解蕨类形态创新提供了分子线索。通过比较基因组学分析，研究者发现深圳双扇蕨与桫椤（Alsophila spinulosa）、水蕨（Ceratopteris richardii）等蕨类共享多个保守基因家族，但在次生代谢通路中存在显著扩张，这可能与其药用活性物质合成相关。LAI指数（12.16）显示基因组中LTR元件的完整度较高，暗示转座子可能在环境适应中发挥重要作用。

该染色体水平基因组的发布具有多重科学价值：为重建蕨类系统发育关系提供可靠分子标记，解决双扇蕨在薄囊蕨类基部位置的争议；通过现存种与化石记录的基因组比较，可精确推演中生代古气候变迁过程；更重要的是，挖掘出的胆固醇降解酶基因和抗氧化相关基因簇，为开发抗阿尔茨海默病（Alzheimer's disease）新型植物药奠定基础。研究团队已将基因组数据公开于GSA数据库（CRA020015）和GenBank（JBLQTB000000000），为全球蕨类研究社群提供重要资源。这项成果不仅填补了孑遗植物基因组空白，更开辟了通过基因组学解读地球生命演化史与药用植物开发的新途径。