The hornwort genome and early land plant evolution

First author: Jian Zhang; Affiliations: CAS Institute of Botany (中科院植物所): Beijing, China

Corresponding author: Zhi-Duan Chen

Hornworts, liverworts and mosses are three early diverging clades of land plants, and together comprise the bryophytes. Here, we report the draft genome sequence of the hornwort Anthoceros angustus. Phylogenomic inferences confirm the monophyly of bryophytes, with hornworts sister to liverworts and mosses. The simple morphology of hornworts correlates with low genetic redundancy in plant body plan, while the basic transcriptional regulation toolkit for plant development has already been established in this early land plant lineage. Although the Anthoceros genome is small and characterized by minimal redundancy, expansions are observed in gene families related to RNA editing, UV protection and desiccation tolerance. The genome of A. angustus bears the signatures of horizontally transferred genes from bacteria and fungi, in particular of genes operating in stress-response and metabolic pathways. Our study provides insight into the unique features of hornworts and their molecular adaptations to live on land.

角苔植物（hornworts）、苔类植物（liverworts）以及藓类植物（mosses）是陆地植物早期分化形成的类群，一起组成了苔藓植物（bryophytes）。本文中，作者报道了角苔植物台湾角苔的基因组草图。系统基因组学分析显示苔藓植物为单系起源，首先苔类植物与藓类植物聚为姊妹枝，然后一起再与角苔植物形成姊妹枝。角苔类植物的植株结构具有较为简单的形态学特征，与其较低的遗传冗余相关，但是在该陆地植物早期分化形成的支系中已经建立起了用于植物发育调控的基础性转录调控网络。尽管台湾角苔的基因组比较小，并且遗传冗余也较少，但是作者仍是鉴定到了与RNA编辑、UV保护以及干燥耐性相关基因家族的扩张。另外，作者在台湾角苔中检测到了来自细菌和真菌的水平转移基因，尤其是参与胁迫响应和代谢通路相关的基因。本文的研究为角苔的特性研究提供了新的视野，同时也为早期植物适应陆地生活的分子演化提供了参考。

提纲挈领计划

Background

陆地植物起源于5亿年前的古生代，开启了对陆地环境的殖民。苔藓植物陆地植物开始殖民陆地时期分化形成的一类支系，主要包括三大类：角苔植物、苔类植物以及藓类植物。苔藓植物的植株结构比较简单，单倍体的配子体占主导地位，而孢子体则依附在配子体上，无真正的根，也无木质化的维管组织，喜欢荫湿环境，被认为是由水生到陆生的过渡类型。角苔植物是陆地植物几大支系中物种最少的一类，普遍认为角苔植物是所有现存陆地植物或维管植物的根部分枝，最近的一些研究认为角苔植物与苔类植物、藓类植物一起构成单系群。另外，角苔植物具有一些比较独特的特性，比如其具有一个基于蛋白核（pyrenoid）的碳浓缩机制（doi: 10.1007/BF00208310），这是其它陆地植物中都没有的，但是在绿藻中比较常见。本文的主体分为了6个部分，下面我们按照这个顺序介绍一下本文的思路。

Part 1.    台湾角苔的基因组组装与注释

这个算是基因组文章的基石了，作者基于的Illumina和Oxford Nanopore技术进行的测序，最终组装的台湾角苔参数：基因组大小119Mb，contig N50长796.64Kb，scaffold N50长1.09Mb。重复序列占了台湾角苔基因组的64.21%，预测到了14629个蛋白编码基因。BUSCO评估显示覆盖了89.64%的核心植物基因集（感觉稍低，小立碗藓与地钱这一参数分别是93.51%和92.15%）。

Part 2.    比较基因组分析

基于OrthoMCL软件，用了11个陆地植物、2个轮藻植物以及2个绿藻植物的基因组，构建了基因家族，发现台湾角苔的基因分布在7644个与其它植物共享的基因家族以及497个自身特有的基因家族中。基于85个单拷贝基因家族构建的系统发育树显示，角苔植物、苔类植物以及藓类植物一起构成了一个单系群。另外，基因家族扩张和收缩分析显示角苔植物丢失了2145个基因家族，而仅仅新增了497个基因家族。作者在台湾角苔基因组中并未检测到全基因组复制事件的信号。此外，作者发现台湾角苔中单拷贝基因家族占了83.45%，而大于5个拷贝的基因家族仅占了1.27%，说明了台湾角苔中的遗传冗余较低。

Part 3.    转录因子鉴定

作者在台湾角苔基因组中共鉴定到了333个转录因子，分属61个转录因子家族。对于24个作用于植物body plan建立或陆地适应的转录因子家族鉴定发现，与配子体或孢子体发育、单倍体-二倍体过渡、分生组织发育、丝状生长、光形态发生以及生长素信号传导相关的基因在植物适应陆地环境之前就已经开始出现。尤其是与陆地植物最近缘的轮藻植物中已经出现了与丝状生长及生长素信号相关的基因，说明了在植物陆地化之前就已经具备了构造更复杂body plan的遗传基础，为后来的植物陆地化适应提供了可能。另外，还有一系列与陆地适应关键性状创新相关的基因在植物殖民陆地环境的过程中逐渐形成，比如作用于气孔发育的SMF和ICE，作用于3D生长的APB、CLE和CLV1，以及作用于导水细胞发育的VNS。而相对复杂性状的基因在具有简单构造的苔藓植物中则还未出现，比如与胚胎发生调控相关的基因。其中，ABI3在开花植物中主要作用于胚胎成熟和种子干旱耐性，其在苔藓植物中主要是作用于营养器官的干燥耐性，有助于适应干燥的陆地环境。

Part 4.    基因家族扩张

除了TF，台湾角苔基因组中还有其它扩张的基因家族。作者进一步分析了这些扩张的基因家族，结果发现了一类具有三角状五肽重复结构域（pentatricopeptide repeat, PPR）的基因家族，大概占了所有基因的7.9%，这类基因主要作用于植物细胞器RNA加工。台湾角苔基因组中扩张的是PLS类PPR蛋白，可能与台湾角苔细胞器中大量的RNA编辑位点相关。通过RNA编辑，PPR蛋白可以充当“修复”因子，减轻因陆地环境中紫外线暴露增加而引起的DNA损伤。除此以外，还有一些其它与胁迫响应相关的基因家族在台湾角苔中也发生了扩展，比如说cupin家族和细胞色素P450。

Part 5.    CO₂浓缩机制

台湾角苔是所有陆地植物中唯一一个含有基于蛋白核的碳浓缩机制（CO₂-concentrating mechanism, CCM）的物种，通常该机制只存在于绿藻当中。CCM的关键组分已经于2013年被鉴定（doi: 10.1093/jxb/ers390）。作者鉴定了台湾角苔与其它陆地植物中是否存在绿藻中CCM关键组分的同源蛋白。一顿同源基因鉴定（详细信息见原文），结果作者发现CCM关键组分在角苔植物和其它缺少蛋白核的非被子植物中均存在，说明CCM可能是植物中一个古老的CO2固定机制，但在随后的陆地化适应性演化过程中，由于大气变化而导致了陆地植物中CCM组分和蛋白核的多次丢失。

Part 6.     水平基因转移

其它两个苔藓植物（小立碗藓和地钱）中均已报道过来自细菌和真菌的基因水平转移，因此，作者鉴定了台湾角苔中是否存在基因水平转移。结果，作者鉴定到了台湾角苔中有19个基因可能是来自于细菌或真菌的水平转移基因。这些水平转移基因主要作用于代谢过程，氧化还原和胁迫响应。又是一顿相关基因的功能注释和文献功底秀，作者发现这些外来基因的整合为角苔植物在演化过程中的环境适应提供了其它的可能。

Summary

综上本文part 1和2算是基因组常规分析；part3和part4基于的是该物种特殊的分类地位，主要讲的植物陆地化适应与关键性状创新等；part5和part6算是物种本身的生物学特性相关。由此可见，现在发一篇高分的植物基因组文章多么不容易啊，基因组常规分析得有（组装、注释、WGD、TE、基因家族等等），物种代表性得有（独特的系统发育地位），还得要有十分鲜明的生物学特性，并且还得基于基因组、比较基因组以及多组学联合分析量身为这些生物学特性写出一个听上去合理的故事。

通讯：陈之端（http://sourcedb.ib.cas.cn/cn/expert/200904/t20090403_45016.html）

个人简介：1985年，山东大学，学士；1992年，中国科学院植物研究所，博士。

研究方向：1）利用基因、基因组、形态学以及生物地理学等证据探讨被子植物大类群的系统发育和进化；  2）利用生命之树，研究植物区系及其生物多样性的时空格局和形成原因。

doi: https://doi.org/10.1038/s41477-019-0588-4

Journal: Nature Plants

Published date: February 10, 2020