被子植物极端微型化中的基因组演化

真核生物基因组的大小可相差数个数量级，然而这种巨大的变异与其所编码生物体的复杂性几乎没有关系。因此，基因组进化如何伴随生物体复杂性的变化仍未得到解决。一个核心障碍在于，体制结构的重大差异通常出现在深度分化的谱系之间，这使得体制结构进化与长期独立历史中积累的基因组分化交织在一起，难以区分。浮萍科植物提供了一个罕见的体系，使得连续发生的体制结构简化能够在单一植物科内被追踪。沿着这一演化轨迹，植株大小缩小了近一个数量级，根系逐步退化直至丧失，最终达到被子植物微型化的极端。然而，基因组大小却增加了近六倍。 在此，我们利用Wolffia globosa新的染色体尺度基因组，并结合跨嵌套进化尺度的比较基因组学分析，表明在微型化过程中，基因组大小、基因数量和功能组成分别遵循了不同的演化轨迹。基因组扩张主要由转座元件积累所驱动，而蛋白质编码基因的数量则保持稳定。水生适应本身会促进功能简化，但这仅构成一个基线。浮萍科植物通过对发育、结构以及生物防御功能的进一步收缩，同时选择性扩张与生长和非生物适应相关的功能，将这种精简推进得更为深入。这种重塑在连续的演化转变过程中不断累积，其实现方式既包括同一基因家族的持续收缩，也更常见地包括影响相同生物过程的不同基因家族的收缩。因此，生物体复杂性所反映的，可能不仅仅是基因组大小或其功能组成的规模，更在于该功能组成在进化过程中如何被选择性地重构。

真核生物基因组的大小可相差数个数量级，然而这种巨大的变异与其所编码生物体的复杂性几乎没有关联。因此，基因组演化如何伴随生物体复杂性的变化，仍是一个悬而未决的问题。一个核心障碍在于，体制图式的重大差异通常出现在分化极深的谱系之间，从而使体制图式演化与这些谱系在长期独立演化历史中积累的基因组分化相互纠缠。浮萍科植物提供了一个罕见的系统，使得连续发生的体制图式缩减能够在单一植物科内得到追踪。沿着这一演化轨迹，植株大小缩小了近一个数量级，根系逐步丧失，最终达到被子植物微型化的极端。然而，基因组大小却增加了近六倍。

在此，我们利用球萍（Wolffia globosa）新的染色体尺度基因组，以及跨嵌套进化尺度的比较基因组学分析，表明在微型化过程中，基因组大小、基因数量和功能组成遵循了彼此不同的演化轨迹。基因组扩张主要由转座元件的积累所驱动，而蛋白质编码基因的数量则保持稳定。水生适应本身会促进功能简化，但这仅构成一个基线。浮萍科植物通过进一步收缩发育、结构和生物防御相关功能，同时选择性扩张与生长和非生物适应相关的功能，将这种精简推进得更远。这种重塑在连续的进化转变过程中不断积累，其实现方式包括同一基因家族的持续收缩，以及更为常见的、影响相同生物过程的不同基因家族的收缩。因此，生物体复杂性所反映的，或许并不仅仅是基因组大小或其功能组成的规模，而是这一功能组成如何在演化过程中被选择性地重新配置。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.08.20.746096v1?rss=1

🏷️ 被子植物 基因组演化 比较基因组学 微型化 转座元件 基因家族收缩