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近日，在美国科学院院刊PNAS在线发表了中国科学院昆明植物研究所、西藏大学、云南大学及比利时根特大学等国内外多个实验室合作的题为“Genome of Crucihimalaya himalaica, a close relative of Arabidopsis, shows ecological adaptation to high altitude”的研究论文，对青藏高原特有分布的须弥芥（Crucihimalaya himalaica）进行了基因组适应性进化研究。

青藏高原是世界屋脊、世界第三极，拥有复杂的极端环境。同时青藏高原还是世界生物多样性热点地区，为研究生物在特殊环境的适应性进化提供了不可多得的天然实验室。近年来，生物适应青藏高原极端环境的基因组研究主要侧重于藏族人对低氧的适应，以及多种动物对极端环境的适应机制，并取得了一系列重要的研究成果。然而到目前为止，除了人工驯化的青稞之外，几乎没有全基因组水平的野生植物适应青藏高原极端环境分子机制的研究。

须弥芥原本归于拟南芥属，1999年Ihsan Al-Shehbaz教授将其独立出来。吴征镒先生认为须弥芥应该是拟南芥属在青藏高原特殊环境下能够适应高海拔极端环境的特化类群。因此，作为拟南芥的近缘物种，须弥芥有望成为极端环境适应性进化的新模式植物。本研究利用二代和三代高通量测序技术，组装得到了234.72Mb的须弥芥基因组，包括27019个预测的基因。通过与拟南芥和荠菜基因组进行比较，发现了一些显著的共线性区域。

须弥芥与拟南芥（左）和荠菜（右）基因组共线性分析

利用4586个单拷贝核基因进行系统发育分析，发现须弥芥与荠菜最近缘，分化时间大概为8.8-12.2个百万年，而与拟南芥属分化时间为12.7-17.2个百万年。须弥芥的LTR反转录转座子在青藏高原上新世晚期至更新世隆升之后，发生了明显的扩张，说明转座子的爆发可能与环境适应有关。通过与近缘物种相比较，须弥芥基因组中抗病相关的基因发生了缩减，这与青藏高低温、强紫外线等极端环境导致的病原菌较少有关。

 须弥芥与近缘物种基因组比较和进化分析

另外，须弥芥中扩张的基因家族和受到强烈自然选择的基因都显著富集于泛素介导的蛋白水解和多种DNA修复途径。这两个途径都是属于综合的抗逆过程，对于青藏高原复杂多变的特殊环境可能起到重要作用。须弥芥中与自交亲和性相关的雄蕊识别SCR基因变成假基因，雌蕊识别SRK基因完全丢失，这是导致须弥芥自交亲和的根本原因，也是适应青藏高原传粉昆虫较少的一种策略。该研究发现植物与动物对青藏高原的适应机制既有相似点（DNA修复途径、抗病途径），也有不同点（植物自交亲和性、植物激素途径）。总之，该研究为青藏高原植物适应极端环境的分子机制提供了新的线索。

须弥芥自交亲和性的转变，SCR基因可能丧失功能。

据悉，本课题也是复旦大学和西藏大学钟扬教授团队历时多年的研究成果，文章共同通讯作者西藏大学拉琼教授是钟扬教授培养的藏族博士，共同第一作者中科院昆明植物所张体操副研究员和云南大学乔琴副教授曾在钟扬实验室从事博士后研究。本项目同时得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、科技部863青年科学家、中国科学院先导A等项目的资助。

原文链接：

https://www.pnas.org/content/early/2019/03/19/1817580116