摘要
苔藓植物包括藓类、苔类和角苔类三个类群，是现存陆地植物最早分化的类群，是理解陆地植物起源和早期进化的关键分支。角苔植物在三个类群中物种丰富度最低，但其独特的生物学特性及高度争议的系统学位置使其成为研究陆地植物进化的关键类群。全基因组测序是生物学研究的重要手段。目前，藓类和苔类植物中均有代表性物种完成了全基因组测序。因此，角苔植物的全基因组测序将对探索早期陆地植物进化具有十分重要的意义。 本研究选取了角苔属代表性物种芽胞角苔（Anthoceros angustus Steph.），结合二代Illumina和三代Nanopore测序技术对该物种进行了全基因组测序，经过对原始测序序列的过滤和去污染获得了一个高质量的基因组，并开展了一系列的系统发育分析、基因组进化分析、基因家族分析、转录因子分析以及基因水平转移分析。本研究的主要结果和结论如下: 1.芽胞角苔基因组 本研究共获得了126.53Gb的二代测序数据以及63.61Gb的三代测序数据，在对这些测序数据进行过滤和去污染之后组装得到了一个119Mb的最佳组装，scaffold N50为1.09Mb，contig N50为796.64kb。大约97.66％的转录组数据能匹配到该基因组组装中。重复序列占基因组序列的64.21％。通过从头预测、同源性预测和RNA-seq预测等方法的整合，本研究共预测到14，629个蛋白编码基因，其中98.44％的基因获得了功能注释的信息。利用BUSCO对组装和注释进行评价，分别检测到84.83％和85.04％的完整基因模型，表明组装和注释结果相对完整。 2.苔藓植物的系统发育关系重建 基于98个单拷贝核基因的系统发育联合分析显示了两种拓扑结构:一是角苔、藓和苔为单系，其中角苔与蒴柄植物（包含藓和苔）成姐妹群;二是角苔与其他所有陆地植物为姐妹群。考虑到第三位密码子位点的替换饱和对系统发育推断的影响，本研究认为苔藓植物形成单系分支是更合理的拓扑结构。进一步的分化时间推断显示角苔类冠群的分歧时间可以追溯到240.88百万年前(MYA)。 3.芽胞角苔基因组的进化特征 对三种苔藓植物（芽胞角苔、地钱和小立碗藓）基因的同义替代速率（KS）和共线性分析结果表明芽胞角苔和地钱基因组没有经历过全基因组复制(WGD)，但小立碗藓基因组经历过WGD。然而，芽胞角苔基因组中串联重复基因的比例远高于小立碗藓和地钱，占基因总数的17.92％。直系同源基因聚类分析表明9，766个芽胞角苔基因聚类到与其他植物有同源性的7，645个共有的基因家族中。与其他陆生植物相比，芽胞角苔的单拷贝基因家族占基因家族总数的83.96％，明显高于多拷贝基因家族的占比。芽胞角苔中基因家族的丢失多于获得。绿色植物中转录因子家族的进化比较也说明，虽然芽胞角苔的转录因子的数目较少，但是陆地植物所共有的大多数转录因子家族都已具备了。这些结果表明芽胞角苔基因组具有较低的遗传冗余度。 4.早期陆地植物的形态建成 本研究调查了与植物形态建成和陆地环境适应相关的22个转录因子家族，结果表明许多形态建成相关的转录因子在陆地植物起源之前就已经产生了;有一些则随着陆地植物的出现而产生，是调节陆地环境适应的关键形态创新基因。这些结果说明尽管早期陆地植物的形态相对简单，但形态建成相关的基本遗传工具包已经建立了。芽胞角苔中调控形态建成的转录因子家族冗余度较低，有些家族甚至丢失了重复基因。芽胞角苔表现出的形态建成方面的基因组精简与其较低的形态复杂度相匹配。 5.早期陆地植物对陆地环境的适应性 本研究调查了三个在芽胞角苔基因组中特异扩张的基因家族:pentatricopeptide repeat(PPR)基因家族、cupin基因家族和P450基因家族。这些基因家族的扩张主要是由串联重复引起的。其功能主要涉及RNA编辑、干燥耐受性、病原菌防御和UV保护等方面，这些基因的扩增可能有助于早期陆地植物适应陆地环境。同时，本研究在芽胞角苔基因组中鉴定到16个（包含24个基因）可能从细菌或真菌水平转移到该物种的基因家族，其中13个家族为芽胞角苔特异的，另外三个家族是芽胞角苔与其他两种苔藓植物（小立碗藓和地钱）共有的。这些通过水平基因转移获得的基因主要参与代谢过程、氧化还原过程和胁迫响应，直接或间接地促进早期陆地植物芽胞角苔对陆地环境的适应。而且，这种通过获取外源基因来提高环境适应性的进化策略在早期陆地植物的进化中是普遍存在的。 本研究完成了第一个高质量的角苔植物的基因组，解决了苔藓植物的系统发育关系，并探索了早期陆地植物关键性状的演化以及早期陆地植物适应陆地环境的进化策略。这些发现将为探索早期陆地植物的起源和进化提供坚实的理论基础。
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