《细胞》突破性成果！北京林业大学钮世辉等解开“中国松”基因密码

12月28日，北京林业大学生物科学与技术学院、北京市林木分子设计育种高精尖创新中心钮世辉课题组在Cell发表了题为The Chinese pine genome and methylome unveil key features of conifer evolution的论文，报道了我国特有乡土针叶树种油松的遗传密码及关键演化特征的分子调控机制，为理解针叶树演化与分子设计育种提供了重要遗传信息资源。该研究是Cell期刊创刊以来发表的第一篇针叶树以及祼子植物研究论文，是该研究领域的一个重要里程碑。

针叶树占据了39%的全球森林生态系统，加上其特殊的系统学地位，针叶树关键特征的演化一直被植物学界广泛关注。然而，针叶树基因组巨大、基因结构复杂、富含重复序列与超长内含子，相关研究一直面临重大技术瓶颈。

该研究通过对组装工具的重编程，并借助大规模转录组辅助注释，突破了油松25Gb超大基因组组装与精确基因注释。在此基础上，系统地阐明了针叶树包括基因组进化方向、适应性的遗传基础、松脂合成的完整通路、特异的生殖发育调控框架等演化历程中多个悬而未决或存在争议的问题。

该研究发现针叶树基因组的巨大性主要来源于转座元件，其演化出了强大的DNA甲基化监管系统来抑制转座元件进一步复制，但同时也“锁死”了基于同源重组的重复序列清除通路，造成针叶树基因组的膨胀将仅有一张单程票。

油松基因组扩张的“单程票”和特异的进化风景

与被子植物不同，全基因组加倍事件针叶树中很罕见，不过，令人惊奇的是，针叶树91%的基因通过散在重复等途径发生了复制，其中生物与非生物胁迫响应基因大量积累，这可能为针叶树卓越的抗逆性提供了遗传基础。

松脂生物合成是松类植物的重要特征，在抗虫、抗病、抗非生物胁迫中均发挥着重要作用，本研究发现油松树脂萜类化合物合成通路关键酶发生了剧烈扩张，这些扩张基因有规律地依据功能分类成簇地聚集在染色体上，在DNA上铭刻着“油松”之名的名副其实。

与被子植物研究相比，针叶树研究仍十分滞后。该研究为针叶树特异的生长发育、适应性、基因组演化研究以及高效遗传改良奠定了重要的基础，也为更全面理解植物各异的演化机制提供了被子植物以外新的视角。

钮世辉（右四）带领团队进行油松新品种嫁接

据团队负责人介绍，研究团队共有来自6个国家11家单位的35位研究人员。该团队参与了中国、澳大利亚、瑞典多个世界重要针叶树种的育种计划，研发了10余款专业软件。此项研究历时3年半，期间共召开了54场技术讨论会。

论文链接：

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