【Nature Plants】泥炭藓性染色体可影响其碳固存能力和生态动力学

以下文章来源于Mol Plant植物科学 ，作者SCI Shi

2023年2月6日，Nature Plants 在线发表了美国杜克大学A. Jonathan Shawt和哈德逊阿尔法生物技术研究所Adam L. Healey联合团队及其合作者题为“Newly identified sex chromosomes in the Sphagnum (peat moss) genome alter carbon sequestration and ecosystem dynamics”的研究论文。该研究通过组装两种泥炭藓（S. divinum和S. angustifolium）在染色体水平上的基因组，发现了泥炭藓的性染色体，并显示泥炭藓在酸性环境中的生长与其性染色体有关；揭示了泥炭藓性染色体可影响其碳固存能力和生态动力学。

https://doi.org/10.1038/s41477-022-01333-5

泥炭藓（Sphagnum）既是一个单独的属，也是一个完整的生态系统。泥炭藓是泥炭地（peatlands）群落的关键成员，它们在泥炭地群落中积极创建高酸环境，从而提高它们的竞争优势并加速生态系统层面的碳固存。据统计，以泥炭藓为主的泥炭地覆盖了北半球北方约3-5%的地区，储存了全球陆地碳库总量的30%左右。泥炭藓在沼泽中生长最丰富，各物种表现出生态位偏好；生长在地下水位以上的不同高度和不同pH水平。由于物种间的这种生态位差异，泥炭藓及其沼泽长期以来一直作为群落组装、胁迫生理学和碳封存的研究模型；并在生态基因组学和生物地球化学实验创新中取得了新的进展。

除了物种遗传分化外，泥炭藓群落组装和种内性状变异似乎受到性别比例偏差的控制，其性别对当地环境的适应存在差异。在已知的单倍体生命周期苔藓植物中，性别由U/V（U，雌性；V，雄性）性染色体决定；在减数分裂期间，性染色体以1:1的比率在孢子之间分离。然而，泥炭藓的性别决定机制是什么，仍不清楚。

为了剖析泥炭藓的分子和生理特征，该研究生成了两种泥炭藓物种（S. divinum和S. angustifolium）在染色体水平上的基因组；其大小分别为439 Mb和395 Mb。分析显示，泥炭藓基因组与任何其他参考基因组均未显示出基因共线性（gene colinearity）；表明泥炭藓代表了陆生植物进化的一个未表征的新谱系（Figure 1）。

Figure 1. 泥炭藓的比较基因组学分析

进一步对泥炭藓的遗传多样性和系统发育学分析发现，茉莉酸（JA）和胞间连丝介导的转运在苔藓中直接与植物激素对非生物胁迫的响应相关；表明这些植物激素和细胞间信号通路在维管植物和非维管植物中高度保守。

该研究发现，泥炭藓基因组有发生全基因组复制（WGD）。在每次WGD之后，泥炭藓基因组都保持非常稳定，很少发生大规模的染色体重排或易位，一些染色体及其复制的对应物保持几乎1:1染色体的同线性（Figure 2）。

Figure 2. 泥炭藓中的WGD和祖先染色体的重建

与19条常染色体不同，研究人员发现泥炭藓基因组中的20号染色体特别短，只有其他染色体的1/4；并推测它可能是泥炭藓的U/V性染色体。通过研究该染色体在S. angustifolium F1单倍体谱系中的结构，研究人员发现20号染色体可能是V性染色体。

那么，泥炭藓对pH胁迫响应的遗传位点是否与性染色体有关呢？该研究发现，高pH条件下生长的泥炭藓与对照和低pH条件的有显著差异；并发现影响泥炭藓生长的数量性状位点（QTL）依赖于U/V染色体遗传；表明泥炭地环境条件和泥炭藓性别之间存在着直接联系（Figure 3）。

Figure 3. S. angustifolium响应pH胁迫的QTL图谱

综上所述，该研究通过对两种泥炭藓（S. divinum和S. angustifolium）的基因组组装和分析，发现20号染色体为泥炭藓的性染色体，并显示泥炭藓在酸性沼泽中固碳的能力是由性染色体、常染色体和环境之间的相互作用介导的；揭示了泥炭藓基因组中的性染色体可影响其碳固存能力和生态系统动力学。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41477-022-01333-5

转自：“iPlants”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！