12月28日，北京林業大學生物科學與技術學院、北京市林木分子設計育種高精尖創新中心鈕世輝課題組在Cell發表了題為The Chinese pine genome and methylome unveil key features of conifer evolution的論文，報道了我國特有鄉土針葉樹種油松的遺傳密碼及關鍵演化特征的分子調控機制，為理解針葉樹演化與分子設計育種提供了重要遺傳信息資源。該研究是Cell期刊創刊以來發表的第一篇針葉樹以及祼子植物研究論文，是該研究領域的一個重要里程碑。

針葉樹占據了39%的全球森林生態系統，加上其特殊的系統學地位，針葉樹關鍵特征的演化一直被植物學界廣泛關注。然而，針葉樹基因組巨大、基因結構復雜、富含重復序列與超長內含子，相關研究一直面臨重大技術瓶頸。

該研究通過對組裝工具的重編程，并借助大規模轉錄組輔助注釋，突破了油松25Gb超大基因組組裝與精確基因注釋。在此基礎上，系統地闡明了針葉樹包括基因組進化方向、適應性的遺傳基礎、松脂合成的完整通路、特異的生殖發育調控框架等演化歷程中多個懸而未決或存在爭議的問題。

該研究發現針葉樹基因組的巨大性主要來源于轉座元件，其演化出了強大的DNA甲基化監管系統來抑制轉座元件進一步復制，但同時也“鎖死”了基于同源重組的重復序列清除通路，造成針葉樹基因組的膨脹將僅有一張單程票。

油松基因組擴張的“單程票”和特異的進化風景

與被子植物不同，全基因組加倍事件針葉樹中很罕見，不過，令人驚奇的是，針葉樹91%的基因通過散在重復等途徑發生了復制，其中生物與非生物脅迫響應基因大量積累，這可能為針葉樹卓越的抗逆性提供了遺傳基礎。

松脂生物合成是松類植物的重要特征，在抗蟲、抗病、抗非生物脅迫中均發揮著重要作用，本研究發現油松樹脂萜類化合物合成通路關鍵酶發生了劇烈擴張，這些擴張基因有規律地依據功能分類成簇地聚集在染色體上，在DNA上銘刻著“油松”之名的名副其實。

與被子植物研究相比，針葉樹研究仍十分滯后。該研究為針葉樹特異的生長發育、適應性、基因組演化研究以及高效遺傳改良奠定了重要的基礎，也為更全面理解植物各異的演化機制提供了被子植物以外新的視角。

鈕世輝（右四）帶領團隊進行油松新品種嫁接

據團隊負責人介紹，研究團隊共有來自6個國家11家單位的35位研究人員。該團隊參與了中國、澳大利亞、瑞典多個世界重要針葉樹種的育種計劃，研發了10余款專業軟件。此項研究歷時3年半，期間共召開了54場技術討論會。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.12.006

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總結

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