Anthoceros genomes illuminate the origin of land plants and the unique biology of hornworts

First author: Fay-Wei Li; Affiliations: Boyce Thompson Institute (Boyce Thompson研究所): Ithaca, USA

Corresponding author: Péter Szövényi

Hornworts comprise a bryophyte lineage that diverged from other extant land plants >400 million years ago and bears unique biological features, including a distinct sporophyte architecture, cyanobacterial symbiosis and a pyrenoid-based carbon-concentrating mechanism (CCM). Here, we provide three high-quality genomes of Anthoceros hornworts. Phylogenomic analyses place hornworts as a sister clade to liverworts plus mosses with high support. The Anthoceros genomes lack repeat-dense centromeres as well as whole-genome duplication, and contain a limited transcription factor repertoire. Several genes involved in angiosperm meristem and stomatal function are conserved in Anthoceros and upregulated during sporophyte development, suggesting possible homologies at the genetic level. We identified candidate genes involved in cyanobacterial symbiosis and found that LCIB, a Chlamydomonas CCM gene, is present in hornworts but absent in other plant lineages, implying a possible conserved role in CCM function. We anticipate that these hornwort genomes will serve as essential references for future hornwort research and comparative studies across land plants.

角苔类植物是苔藓植物的一个支系，与其它陆地植物分化超过400个百万年，并且具有非常独特的生物学特征，包括一个非常独特的孢子体结构、蓝细菌共生系统以及一个基于蛋白核（pyrenoid）的碳浓缩机制（carbon-concentrating mechanism，CCM）。本文中，作者报道了三个角苔属植物的高质量基因组。系统基因组学分析显示角苔属与地钱以及其它苔藓植物聚为姊妹枝，且自展值很高。角苔属植物的基因组上没有重复密集的着丝粒区域，同样也没有检测到全基因组复制事件，而且包含的转录因子也有限。一些参与被子植物分生组织以及气孔功能的基因在角苔属植物的基因组中比较保守，而且在孢子体发育过程中上调表达，说明这些基因可能是遗传上同源的基因。作者还鉴定了参与蓝细菌共生的基因，发现了一个衣藻CCM基因LCIB在角苔中存在，而在其它植物支系中缺失，暗示着该基因可能作用于碳浓缩机制。本文所报道的角苔属植物基因组为将来角苔属的研究以及陆地植物的比较基因组提供了遗传资源。

通讯：Péter Szövényi (https://www.systbot.uzh.ch/de/Personen/ProfessorenundDozenten/szovenyi.html)

个人简介：2002年，匈牙利Eötvös Loránd University of Sciences，硕士；2004-2006年，苏黎世大学，博士；2006-2007年，芬兰赫尔辛基大学，博士后；2007-2010年，美国杜克大学，博士后；2010-2011年，德国弗赖堡大学，博士后。

研究方向：生命周期演化、基因表达演化、多倍体演化、性染色体演化和基因组印迹、表型可塑性、基因组学、生态学。

doi: https://doi.org/10.1038/s41477-020-0618-2

Journal: Nature Plants

Published date: March 13, 2020

p.s. 相关研究链接：

Nature Plants：苔藓植物三巨头中的角苔植物台湾角苔基因组