A genome for gnetophytes and early evolution of seed plants

Gnetophytes (买麻藤类植物) are an enigmatic (神秘的) gymnosperm lineage comprising three genera, Gnetum (买麻藤属), Welwitschia (百岁兰属) and Ephedra (麻黄属), which are morphologically distinct from all other seed plants. Their distinctiveness has triggered much debate as to their origin, evolution and phylogenetic placement among seed plants. To increase our understanding of the evolution of gnetophytes, and their relation to other seed plants, we report here a high-quality draft genome sequence for Gnetum montanum, the first for any gnetophyte. By using a novel genome assembly strategy to deal with high levels of heterozygosity, we assembled >4 Gb of sequence encoding 27,491 protein-coding genes. Comparative analysis of the G. montanum genome with other gymnosperm genomes unveiled (揭露) some remarkable and distinctive genomic features, such as a diverse assemblage (聚集) of retrotransposons (逆转座子) with evidence for elevated frequencies of elimination rather than accumulation, considerable (相当大的) differences in intron architecture, including both length distribution and proportions of (retro) transposon elements, and distinctive patterns of proliferation (增生) of functional protein domains. Furthermore, a few gene families showed Gnetum-specific copy number expansions (for example, cellulose synthase) or contractions (for example, Late Embryogenesis Abundant protein), which could be connected with Gnetum’s distinctive morphological innovations associated with their adaptation to warm, mesic (栖于湿地的) environments. Overall, the G. montanum genome enables a better resolution of ancestral genomic features within seed plants, and the identification of genomic characters that distinguish Gnetum from other gymnosperms.

买麻藤类植物是一类比较神秘的裸子植物支系，包含三个属，分别是买麻藤属、百岁兰属和麻黄属，买麻藤类植物在形态学上可以和所有其它的种子植物区分开。正由于其具有比较特有的形态特征，因此关于这类植物的起源、演化以及在种子植物中的进化地位的问题存在诸多疑问。为了增加我们对于买麻藤类植物演化以及其与其它种子植物的关系方面的了解，作者在此提供了一份高质量的买麻藤基因组草图，这是买麻藤类植物第一份全基因组序列的资源。通过一个新的基因组组装策略，作者解决了高杂合的组装问题，获得了超过4 Gb的买麻藤基因组序列，注释得到了27,491个蛋白编码基因。通过买麻藤与其它裸子植物的比较基因组分析，作者鉴定到了一些买麻藤上表现出显著差异的基因组特性，比如逆转座子多样化的聚集，并且有证据显示买麻藤上的逆转座子消除速率要比积累速率快，另外买麻藤与其它裸子植物在内含子上的结构特性也大有不同，主要体现在内含子的长度分布和（逆）转座子元件所占的比例，其次买麻藤与其它裸子植物在功能蛋白结构域的增生上也存在不同的模式。此外，一些基因家族在买麻藤基因组中显示出特有的拷贝数扩增，如纤维素合酶基因家族；另外有一些基因家族表现出收缩，如胚胎后期富集蛋白，这些特性可能与买麻藤植物适应其温暖、潮湿的生存环境所导致的特有的形态特征有所关联。总的来说，买麻藤植物基因组为种子植物古老的基因组特征带来的新的信息和了解，同时也为鉴定买麻藤与其它裸子植物提供了基因组上的差异信息。

一作：万涛 (http://www.szbg.ac.cn/cn/newsintro.aspx?nodecode=105005004&id=100001971223873)

个人简介：2005-2010年，武汉大学，生命科学学院，博士；2010-2011年，深圳华大基因研究院，助理总监；2011-2011年，北京诺禾致源生物科技有限公司，总监；2012年-至今，深圳市仙湖植物园，副研究员。

doi: 10.1038/s41477-017-0097-2