2023年7月20日，北京大学现代农学院、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室李磊课题组与合作者在Nature Communications发表了题为“Comparative genomics reveals a unique nitrogen-carbon balance system in Asteraceae”的研究论文。该研究发现了菊科植物中特异碳氮平衡体系的基因组机制。

     菊科（Asteraceae）是真双子叶植物中最大的科之一，具有丰富的物种多样性和极强的环境适应性（图1）。为了更好了解和研究菊科植物，合作团队从菊科植物最近的外群草海桐科出发，通过一系列前沿组装策略，完成了草海桐高质量基因组组装，为菊科研究提供了重要的外群参照。同时，通过三代测序技术、光学图谱、以及HiC技术完成了目前最高质量的莴苣（茎用生菜）参考基因组。通过对29种代表性陆生植物的比较，在全基因组层面首次确定了菊科植物起源时间为白垩纪晚期，约8千万之前。利用草海桐基因组为参照，确定了菊科植物共有的古多倍化事件WGT-1发生时间与草海桐科/菊科分化时间接近，草海桐科只发生了更为古老的WGT-γ事件，并没有发生WGT-1事件。通过对古多倍化以后保留区域的分析，发现这些区域受到了高度选择，具有更高的基因密度，与细胞壁重塑、脂质合成、细胞膜、开花等过程相关的基因得到富集，表明菊科植物共有的古多倍化事件对菊科植物的成功具有重要意义。

 

图1. 菊科植物具有丰富物种多样性和良好环境适应性

（a、占据被子植物总数~10%；b、全球范围内广泛分布；c、适应极端环境的代表性植物；d、全球范围内入侵植物占据三甲）

 

     通过基因组和转录组数据综合比较，发现菊科植物中调控碳氮平衡的关键基因PII发生了丢失。PII是一种位于叶绿体的氮传感器，可激活N-乙酰基-L-谷氨酸激酶以促进氮同化。PII还与乙酰辅酶A羧化酶的生物素羧基载体蛋白亚基形成复合物，以抑制乙酰辅酶A羧化酶活性。此外，PII可能参与氮吸收的负调节并防止陆地植物过量吸收亚硝酸盐。通过莴苣中异源表达PII等一系列试验，发现PII丢失对菊科植物碳氮平衡的进化起到了重要作用。结合菊科植物中低氮条件下同化氮的基因和脂肪酸合成基因家族扩增的现象，表明菊科植物对碳氮代谢进行了重构（图2）。

 

图2. 植物碳氮平衡系统对比

（a、普通植物中碳氮平衡系统；b、菊科植物碳氮平衡系统）。

 

     北京大学李磊研究员和北京市农林科学院杨效曾研究员、魏建华研究员为论文共同通讯作者。该工作得到了蛋白质与植物基因研究国家重点实验室的资助。

 

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40002-9