新研究破译薇甘菊入侵基因密码

　　薇甘菊作为全球十大最具危害的恶性入侵杂草之一，以其惊人的繁殖速度和强大的环境适应性，在亚洲、太平洋地区及中国华南地区造成严重生态破坏。然而，其基因组层面的适应性进化机制长期未被系统解析，制约了科学防控措施的研发。

　　8月16日，《新植物学家》（New Phytologist）在线发表了中山大学教授苏应娟/廖文波团队与华南农业大学教授王艇团队最新成果。他们揭示了驱动薇甘菊入侵性形成和适应性进化的五大关键基因组事件：全基因组重复、基因家族扩张、转座元件介导的基因调控、胁迫响应基因的差异表达（尤其是旁系同源基因）以及代谢产物合成途径的调控。

　　期刊审稿人评价称，该研究通过大规模、多类型数据的整合分析，为入侵植物比较基因组学提供了宝贵资源，尤其在转座子驱动基因组进化和基因表达调控方面提出新视角，对理解植物适应性进化机制具有重要价值。

　　抽丝剥茧：解析薇甘菊入侵之谜

　　薇甘菊原产于热带美洲，有“一分钟一英里草”之称。在我国，薇甘菊已大面积入侵华南地区，深圳、珠海等地受害尤为严重。然而，长期以来，由于对薇甘菊在基因组学层面的适应性进化和入侵性形成机制缺乏系统解析，科学家们难以开发出有效的治理措施。

　　“以往的入侵植物基因组学研究大多针对单一物种，缺乏对近缘入侵和非入侵物种的系统性比较，这在一定程度上限制了研究的深度和广度。”论文共同通讯作者苏应娟对《中国科学报》表示，影响入侵植物入侵成功的因素和机制复杂又多样，既涉及生态适应性，基因组的动态改变和可塑性，以及基因、基因网络和代谢通路的表达调控；又涉及植物和多种生物和非生物胁迫的相互作用。

　　为了攻克这一难题，苏应娟团队在国家自然科学基金等项目的资助下，以入侵杂草薇甘菊和其本土同属近缘种假泽兰为对象，综合运用高通量测序、重测序、转录组测序、分子遗传实验和表型测量等实验技术，以及生物学信息学、统计基因组学和种群基因组学的分析方法，开展了深入的比较基因组学研究。

　　研究团队采集了薇甘菊与假泽兰的新鲜植物材料，综合采用PacBio、Illumina、10×Genomics和Hi-C等多平台测序技术，完成了两种植物高质量基因组的组装与注释。随后，基于比较基因组学、种群基因组学、转录组学、分子遗传分析和表型测量等研究工作，揭示了驱动薇甘菊入侵性形成和适应性进化的关键基因组事件和因素。

　　论文共同第一作者、中山大学博士生王若楠表示，团队历时近7年，涉及野外采样、染色体数目和核型确认、跨平台多组学测序、海量数据分析及功能验证实验等多项任务。主要困难在于同时测定和组装高质量、高精度的薇甘菊和假泽兰基因组，以及对庞大数据进行深入挖掘和解析。

　　另辟蹊径：攻克多组学研究难题

　　最初，苏应娟团队的目标是锁定在薇甘菊基因组的构建和深度解析上，研究工作也有条不紊地向前推进。然而，就在整个团队的分析工作即将接近尾声、准备收获成果的关键时刻，2020年一则突如其来的消息让大家措手不及——另一个研究团队发表了薇甘菊的基因组图谱。

　　“这个消息当时确实像一盆冷水。”苏应娟坦言。面对这种情况，团队没有过多纠结，而是迅速召开紧急会议商讨对策。在短暂的“迷茫期”中，一个关键问题摆在面前，就是如何另寻突破、创新点？

　　苏应娟敏锐地将目光转向了薇甘菊在中国本地的“近亲”——假泽兰。“我们何不着力进行深入的比较基因组学研究？对比入侵种薇甘菊和本土近缘种假泽兰的基因组差异，为揭示薇甘菊强大的入侵机制打开一扇新的窗口！”苏应娟这样描述了团队当时的共识。

　　这个转向充满挑战但也极具潜力。然而，研究重点的转变意味着巨大的工作量。决定添加假泽兰这个物种的基因组学研究，绝非易事。这意味着之前围绕薇甘菊进行的所有分析工作，从序列比对、比较分析到功能预测等等，大都需要重新分析，工作量剧增。

　　“当时团队内部也确实讨论过，这样‘从头再来’值不值得？投入的时间和精力成本是否可控？但是，决心最终战胜了犹豫，为了深化研究课题，团队一致同意迎难而上。”苏应娟说。

　　在分析过程中，团队发现已发表的薇甘菊染色体数目与自己预估的不同。通过查阅文献和严谨的荧光显微镜检测（FISH），他们最终确认薇甘菊入侵种群的染色体数目为36条（2n=36），为后续精准研究奠定了基础。由于研究涵盖两个物种的多组学数据及薇甘菊的群体基因组学分析，团队对研究任务进行了细化和分工，采取了逐步推进和对研究结果进行多轮交叉验证的研究路线，确保了结果的可靠性，为入侵植物的研究提供了高质量的基因组资源。

　　王若楠表示，团队先是应用荧光原位杂交技术确证了来自入侵种群薇甘菊的核型（2n=2x=36），然后整合PacBio长读长、Illumina短读长、10X Genomics和Hi-C染色体构象捕获等多平台技术，成功构建了薇甘菊（1.53 Gb）及其本地近缘种假泽兰（1.68 Gb）染色体级别的高精度参考基因组。通过比较基因组分析，薇甘菊与假泽兰确实是“近亲”，它们大约在372万年前（上新世早期）由于剧烈的气候和栖息地变化而“分家”。

　　与假泽兰的比较基因组学分析表明，薇甘菊体内负责感知和响应生长素的基因家族和防御代谢合成通路的相关基因发生了特异性扩张，同时基因组中有一种叫“转座子”（可以理解为基因里的“跳跃精灵”）的元件，在薇甘菊中特别活跃，高频插入基因附近，导致其基因组结构发生更多变化，这加速了它的适应和进化。功能验证实验结果显示，薇甘菊在生长素处理下的根长和根径显著优于假泽兰；薇甘菊和假泽兰ARF8-2和miR167a基因的表达呈现不同式样，前者反应更灵敏，变化更动态，这是其快速响应环境的基因基础。

　　靶向防控：为治理薇甘菊提供新方向

　　基于全基因组重测序数据进行的种群基因组学研究发现，在薇甘菊的原产地和入侵地的种群之间，存在显著的遗传分化。同时研究发现入侵我国华南地区的薇甘菊种群基因十分相似，暗示了可能是多次入侵和基因渐渗共同作用的结果。

　　研究团队选择信号分析，鉴定出MmBX6-1和MmBX6-2基因在薇甘菊的适应性中起着重要作用。两基因编码的酶参与了和植物防御相关的代谢物合成。另外，选择性清除分析检测到薇甘菊经受了平衡选择的基因，富集于跟剪接体和ADP结合相关的功能类别。

　　记者了解到，该研究首次同时对入侵植物薇甘菊与其近缘本土种假泽兰在基因组学和转录组学进行系统的对比分析，揭示了决定薇甘菊入侵性形成的关键基因组组成和基因表达调控方式。这不仅为理解薇甘菊的快速扩张和适应性进化提供了新的入侵基因组学见解，同时也为薇甘菊的防控鉴定出了新靶标。

　　苏应娟指出，未来可尝试基于植物生长素信号调控途径研发精准的薇甘菊防控和根除手段，以遏制其对生态和农业生产的威胁。团队计划围绕植物生长素信号通路研究阻止薇甘菊入侵的新策略，为科学防控薇甘菊提供有力支持。

　　此外，团队计划继续在组学水平深入研究薇甘菊对环境胁迫的响应，特别是利用转基因与基因编辑等手段对本研究鉴定出的关键基因和代谢通路相关基因在入侵性和适应性方面所起的作用进行确证。

　　相关论文信息：https://doi.org/10.1111/nph.70448