近日，生物所楊效曾團隊在植物學(xué)權威期刊《New Phytologist》（IF2021=10.313）上發表題為(wèi)“Insights into the convergent evolution of fructan biosynthesis in angiosperms from the highly characteristic chicory genome”的(de)研究成果。該研究在組學(xué)層面揭示了菊科植物與其它被子(zǐ)植物在果聚糖積累方面的(de)趨同進化現象，為(wèi)果聚糖在植物發育、适應和(hé)生物多樣性中的(de)關鍵作用提供了新的(de)見解。

果聚糖在被子(zǐ)植物中廣泛存在，目前發現其主要存在于菊科（如(rú)菊苣、生菜）、天門冬科（如(rú)洋蔥）、禾本科（如(rú)大麥、小麥）、龍舌蘭科等植物中。菊科植物尤為(wèi)特别，菊糖（果聚糖的(de)一(yī)種形式）取代澱粉成為(wèi)菊科植物能量的(de)主要存儲形式。菊苣（Cichorium intybus L.）又是菊科植物中菊糖含量高(gāo)的(de)典型代表，菊糖可(kě)占到其根幹重的(de)70%，因此，菊苣成為(wèi)工業果聚糖的(de)重要來源，也是研究果聚糖生物合成的(de)模式物種。

通過結合多種測序技術，該研究完成了菊苣高(gāo)質量基因組組裝和(hé)注釋，并詳細解析了菊苣中果聚糖的(de)合成途徑。通過對33個具有代表性被子(zǐ)植物的(de)比較基因組分析，研究發現如(rú)上所述的(de)含有果聚糖的(de)類群盡管進化關系較遠，但其具有類似的(de)果聚糖代謝機制，即通過一(yī)系列GH32基因家族的(de)果聚糖代謝酶（FAZY)完成果聚糖合成與分解。更進一(yī)步，通過比較不同類群GH32家族的(de)氨基酸序列，并對這些蛋白質的(de)三級結構進行建模，發現含有果聚糖的(de)植物中相同關鍵位點上的(de)突變導緻了它們獨立進化出了果聚糖代謝酶。這是典型的(de)一(yī)種趨同進化現象（圖一(yī)）。

圖一(yī)、被子(zǐ)植物中果聚糖趨同進化分子(zǐ)基礎

果聚糖是果糖的(de)高(gāo)聚體，水溶性強，植物可(kě)以通過果聚糖的(de)合成與分解調節細胞內(nèi)滲透壓，從而提高(gāo)對環境的(de)适應性。研究進一(yī)步推測菊科和(hé)禾本科在分化後的(de)相似時間（近白垩紀-古近紀邊界）進化出果聚糖生物合成途徑，有可(kě)能在它們的(de)适應和(hé)進一(yī)步的(de)生物多樣性中發揮重要作用。

同時，該研究詳細描繪了菊苣基因組成分、DNA 甲基化和(hé)三維 (3D) 結構，連續爆發反轉錄轉座子(zǐ) (LTR-RTs) 家族高(gāo)占比的(de)基因組特征，并破譯了菊苣中豐富的(de)倍半萜含量的(de)遺傳基礎，為(wèi)菊苣基礎研究和(hé)育種應用提供了重要的(de)數據。

生物所申飛(fēi)博士，中國科學(xué)院大學(xué)聯合培養博士生何昊為(wèi)論文共同第一(yī)作者，楊效曾研究員為(wèi)論文通訊作者。該研究得到北京市農林科學(xué)院基因組學(xué)協同創新中心、創新能力建設、院優秀青年(nián)基金等項目的(de)資助。文章(zhāng)全文鏈接為(wèi)： https://doi.org/10.1111/nph.18796