Cell｜榕树-榕小蜂基因组揭示榕树气生根发育、性别决定和榕-蜂协同多样化的分子机制

导读

中国科学院西双版纳热带植物园陈进课题组与福建农林大学明瑞光课题组等国内外单位合作，发布了榕树和榕小蜂精细基因组图谱，并首次在分子机制上揭示了榕树气生根发育、性别决定和榕树-榕小蜂协同多样化等多项未解之谜，相关研究结果以 “Genomes of the Banyan Tree and Pollinator Wasp Provide Insights into Fig-Wasp Coevolution”为题，于2020年10月8日在线发表在国际权威学术期刊《细胞》（Cell）上。

榕树是桑科榕属植物的简称，是木本植物中最大属之一，全球共有830多种，广泛分布在全球热带和亚热带地区。榕树全年有大量果实成熟，为热带森林食果动物提供重要的食物资源，成为维持热带雨林生态系统稳定的关键类群。榕树的共有特征是都具有特殊的隐头花序（又称榕果或无花果），无花果和爱玉子等水果其实都是榕树发育成熟的隐头花序（图1）。

图1.版纳植物园内正在结果的聚果榕

无花果是人类最早驯化的植物之一，早在1.1万年前，中东约旦河谷地区人类就开始栽培无花果。很多榕树在佛教等宗教中被视为神树，尤其是菩提树（佛祖顿悟之树）、高山榕（佛祖圆寂之树）、印度榕树和小叶榕等。这些榕树都具有气生根，可以用来缠绕绞杀其它植物、岩石或建筑物，形成壮观的“独树成林”景观（图2）。

图2. 版纳植物园内高山榕气生根形成的“独树成林”景观

榕果是由花序基部膨大内包形成一个空腔，所有的雌花和雄花都着生在这闭合的空腔内侧壁上，榕果内部通过一个由层层苞片组成的狭小通道（苞片口）跟外界相连。榕树特殊的隐头花序结构决定了它有着与其他植物不一样的传粉系统。全球800多种榕树，每种榕树都有自己特异性的传粉榕小蜂和高度匹配的传粉关系（图3）（越来越多新的研究证据表明，榕-蜂双方的专性传粉关系并不是绝对专性的）。以往研究认为，榕树与传粉榕小蜂之间专性和互惠共生的传粉关系最早应发生在大约7500万年，被认为是地球上植物和昆虫协同进化的典型代表。

图3. 对叶榕榕果和传粉榕小蜂。对叶榕雌花期（榕小蜂正在产卵和授粉）和雄花期榕果（后代榕小蜂发育成熟，正待飞出）的剖面图；对叶榕的传粉榕小蜂，雌蜂（上）和雄蜂（下）具有显著性别二态性。图片来源：www.figweb.org

基于福建农林大学海峡联合研究院在基因组学研究方面的造诣和中科院西双版纳热带植物园在榕树进化生态学和榕树物种收集方面的积累，双方联合国内外多家机构一起构建了2种榕树（小叶榕F. microcarpa和对叶榕F. hispida）和1种传粉榕小蜂(小叶榕传粉榕小蜂 Eupristina verticillata）的高质量基因组精细图谱，结合相关榕树转录组、对叶榕F1代群体和62个榕树物种的的重测序数据、榕果挥发物和传粉榕小蜂的电生理检测分析等方面研究证据，首次在分子机制上揭示了榕树气生根发育机制、榕树性别决定机制和榕树－榕小蜂协同多样化选择机制等多个未解之谜。10月8日，相关研究结果以“Genomes of the Banyan Tree and Pollinator Wasp Provide Insights into Fig-Wasp Coevolution”为题在线发表在国际权威学术期刊《细胞》（Cell）上。

1. 揭示绞杀榕气生根形成的分子机制

榕属植物近一半的物种属于半附生榕树，半附生榕树又称绞杀榕，主要集中在榕亚属和糙叶榕亚属。绞杀榕主要依赖食果鸟类进行种子传播，种子一般在其它植物、岩石或建筑物上开始萌发，然后根系快速伸长到达地面，之后更多的气生根发育，可以缠绕宿主植物或其它物体，形成“绞杀现象”。长成高大乔木的绞杀榕，其老茎或主要枝干还可以不断的长出更多的气生根，下垂到地表之后，快速长粗变成树干状的支撑根，从而形成占地面积很大的“独树成林”现象。我国福建地区的“小鸟天堂”就是小叶榕独树成林形成的景观。

本研究基于半附生的小叶榕与地生的对叶榕的染色体水平的高质量基因组的比较分析以及小叶榕不同组织的转录组基因表达比较、激素表达量比较等分析，共定位到811个在气生根根尖组织内高表达的基因，其中大部分都是与转运生物过程相关。该研究还发现具有气生根小叶榕的生长素合成(YUC2, YUC6和TAR)、级联反应(CLU1, SINAT5)、运输(PIN1和GNOM)和光受体(CRY2和PHR2)相关基因呈现大量的扩张，气生根组织内生长素合成和运输相关基因都有高度转录表达，从而在气生根内生成更高的IAA生长素（15.65 ng/g）。该研究首次揭示了榕树的气生根的形成和发育是与一条光诱导的生长素合成和运输能力提升的分子通路相关，为榕树气生根特征进化和相关园艺品种开发提供了重要理论基础（图4）。

图4.小叶榕气生根形成和发育的遗传机制。（A）气生根中特异性高表达的基因。这些基因参与根生长发育。（B）小叶榕中参与生长素合成、信号转导、运输和光受体的基因家族发生了扩张。（C）PIN基因在小叶榕、对叶榕和拟南芥中的系统发育关系。（D）代谢组分析两种榕树不同组织的生长素和细胞分裂素的不同组分的含量。（E）气生根生长发育遗传机制模式图。

2. 发现对叶榕的性染色体和性别决定基因并确定榕树性别系统进化方向

榕属植物约一半的物种为功能性雌雄异株，即雌株榕果内只产生长花柱的雌花，功能上仅产生榕树种子，而雄株榕果内产生雄花和被榕小蜂寄生的短花柱雌花（瘿花），功能上产生花粉和花粉的运输载体。另一半榕树物种则为雌雄同株，即同一株榕果既能产生榕树种子也能产生花粉和榕小蜂。两种性别系统的差异体现了不同的榕树-榕小蜂繁殖适合度的分配和不同协同进化模式（图5）。榕属性别系统进化和雌雄异株榕树的性别决定机制一直存在争议。

图5. 雌雄同株（左）和雌雄异株（右）榕树的榕果结构及其与传粉榕小蜂关系示意图。图片来源：www.figweb.org

本研究基于60个F1代个体的超高密度的遗传图谱构建、雌雄自然群体重测序数据、Hi-C染色体组装和转录组分析，首次发现雌雄异株的对叶榕存在年轻的Y-染色体，其上具有一个2Mb左右的具有重组抑制的性别决定区域，且包含一个雄性特异的性别决定基因 （AG2基因，属MADS-box C组的AGMOUS基因）（图6）。雌雄同株的小叶榕只含有一个AG1基因拷贝，而雌雄异株的对叶榕具有AG1、AG2、AG三个3拷贝。此外，3个雌雄异株亚属代表物种的PCR扩增证实该AG2基因仅存在于雌雄异株榕树的雄树中，暗示对叶榕的这种通过AG基因的有无决定性别的机制很可能是大部分榕属植物通用的性别决定方式。AG基因系统树支持了雌雄同株繁育性别系统在榕属的祖先地位。基于来自榕属全部6个亚属的62种代表榕树重测序数据，构建了迄今最大的基因组水平上榕树系统树，该系统树也支持了雌雄同株特征的祖先地位。

图6. 对叶榕Y染色体和性别决定基因的验证。（A）比较分析F1雌、雄遗传图谱鉴定重组抑制区。（B）对叶榕12号染色体0-5Mb区间雌雄重测序数据杂合度分析。（C）X和Y染色体比较分析鉴定性别决定区存在一处染色体倒置。（D）雌雄重测序数据显示FhAG2基因只存在于对叶榕雄性个体中。（E）小叶榕和对叶榕AG基因在不同组织中的表达。SA，SB和SC为果实发育的三个不同时期。

3. 揭示榕树－榕小蜂协同进化的基因组学证据

榕树和榕小蜂在形态、生理和发育物候等多方面都呈现出紧密的相互适应。例如，榕小蜂身体大小、扁长型头部结构和产卵器长度与其榕树的榕果大小、苞片口大小和花柱长短相匹配，携带榕树花粉的雌性传粉榕小蜂能够准确识别对应宿主榕树释放的雌花期榕果气味。榕树和榕小蜂在这些形态和生理方面的性状匹配被认为是双方的协同选择促进物种分化的重要选择位点，长久以来是协同进化研究的热点，然而来自遗传方面的证据却一直非常缺乏。

本研究结合已发表的对叶榕传粉小蜂的基因组数据，推测小叶榕和对叶榕在4千万年前后分化，这与其各自对应的传粉小蜂分化的时间存在较好的匹配性，支持了榕树-榕小蜂的协同分化。同时，基于对热带亚洲北缘同域分布的聚果榕亚属的全部14种榕树及其对应主要传粉榕小蜂的重测序数据分析和三组榕树-榕小蜂代表物种之间宿主识别活性榕果气味的化学生理验证，发现控制榕果大小和榕小蜂体型大小的相关基因组区间和控制双方化学信号通讯相关的基因区间均受到纯化选择(图7)。再者，榕树基因组上挥发物释放相关的通路中检测到最多受纯化选择基因的萜烯类合成途径和莽草酸合同途径, 正是榕果挥发物中对对传粉榕小蜂具电生理活性成分的倍半萜类和4-对甲基苯甲醚的生成通路。与之对应，传粉榕小蜂中存在多个嗅觉感应相关基因受到强烈的纯化选择。该研究结果首次在基因组层面上揭示了榕树-传粉榕小蜂在形态和生理上协同适应相关的基因区间的变化对双方协同分化的可能影响，从而为未来开展协同进化促进物种多样化的机制研究提供了更明晰的方向。

图7. 聚果榕亚属榕树-传粉榕小蜂在形态和生理方面的协同适应和协同纯化选择基因。（A）榕树和传粉小蜂在榕果形态和榕小蜂体型大小具有形态上的匹配性；（B）聚果榕亚属三种榕树的专性传粉榕小蜂分别可以感受到特异性的榕果挥发物气味 (GC-EAD分析)；（C）榕树和榕小蜂在双方控制组织形态发育和化学信号通讯相关的基因组区间分别收到强烈的纯化选择 (Tajima’s D分析)。

4. 构建了2种榕树和1种榕小蜂的高质量基因组精细图谱

本研究基于三代PacBio单分子测序、染色质三维构象捕获(Hi-C)和高密度遗传图谱等技术成功构建了2种榕树（小叶榕，染色体13对，基因组423 Mb，N50 908 kb，基因组覆盖度97.7%，BUSCO基因组完整度95.6%，编码基因29416条。对叶榕，染色体14对，基因组359 Mb，N50 492 kb，基因组覆盖度97.3%，BUSCO基因组完整度97.4%，编码基因27211条）和1种传粉榕小蜂（小叶榕传粉榕小蜂 Eupristina verticillata，基因组382 Mb，N50 3.1 Mb，BUSCO基因组完整度97.7%，编码基因14312条）的高质量基因组精细图谱（图8）。比较基因组学研究发现两种榕树基因组存在大量的结构变异，如染色体断裂、片段化重复等。这些变异与植物免疫、帖烯类合成等重要的生物学过程有关，为其适应性演化提供了遗传基础。本研究中2种榕树和1种传粉榕小蜂的高质量基因组的发布也为榕树-榕小蜂协同进化和榕树其它应用相关研究打开了组学分析的大门。

图8.小叶榕(F. microcarpa)和对叶榕（F. hispida）的基因组特征。（A）染色体核型；（B）SDs；（C）基因密度；（D）LTR TEs; (E) DNA TEs; (F) RNA测序的基因表达；（G）两基因组的共线性

该研究由福建农林大学、版纳植物园、台湾大学、华东师范大学和美国伊利诺伊州立大学香槟分校多家单位协作完成。福建农林大学副教授张兴坦和版纳植物园副研究员王刚为共同第一作者。伊利诺伊大学香槟分校教授明瑞光和版纳植物园研究员陈进为并列通讯作者。福建农林大学教授张积森、唐海宝，马晓开、林继山、赵丽华博士，科研助理张晟铖、林京、徐秀明、邓芳，研究生陈帅、王毅斌、石岩、齐睿、杨杨、廖振阳、陈学群、徐鑫丹，版纳植物园副研究员文平，华东师范大学教授陈小勇、副教授王嵘，台湾大学教授林彦蓉、研究生李沂伦参与本项研究。该研究得到了福建农林大学启动经费、国家自然科学基金委和中国科学院相关经费的资助。版纳植物园园林园艺部、生态站、公共技术服务中心和西双版纳国家级自然保护区管理局在样品采集和实验分析中提供了支持与帮助。

参考文献：

Kislev, M.E., Hartmann, A., and Bar-Yosef, O. (2006). Early Domesticated Fig in the Jordan Valley. Science 312, 1372-1374.

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编辑：雨林军