雨后的石階上、老樹根的縫隙里，那層軟軟的苔蘚總給人“柔弱”的印象——沒有結(jié)實(shí)的表皮，沒有鋒利的尖刺，甚至連真正的根都沒有。可你是否想過：為什么這些“小不點(diǎn)”能在潮濕陰暗、微生物扎堆的地方生長，卻很少生病腐爛？它真的是植物界里原始又簡單的小角色嗎？

近日，由深圳市仙湖植物園、武漢華大生命科學(xué)研究院和基因組多維解析技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)銜，一個(gè)匯集了全球33家機(jī)構(gòu)47位科學(xué)家的國際科研團(tuán)隊(duì)，在全球著名學(xué)術(shù)期刊《自然-遺傳學(xué)》（Nature Genetics）以封面文章的形式發(fā)表了一項(xiàng)重磅研究成果，發(fā)現(xiàn)小小苔蘚植物的基因組在基因家族的多樣性上竟然比我們熟悉的維管植物（比如參天大樹和各類花草）還要豐富！這意味著，那些看似不起眼的“綠毯”，其實(shí)是隱藏的“基因?qū)殠臁?，蘊(yùn)藏著地球上最古老的生存智慧。

Nature Genetics封面

Nature Genetics官網(wǎng)截圖

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)覆蓋47個(gè)苔蘚植物目級(jí)代表的123個(gè)物種（包括苔類、蘚類和角苔類）進(jìn)行了高質(zhì)量的基因組測序，并建立了全球首個(gè)苔蘚“超級(jí)泛基因組”平臺(tái)（www.bryogenomes.org），相當(dāng)于為苔蘚家族搭建了一個(gè)前所未有的“基因圖書館”，填補(bǔ)了陸生植物譜系中的巨大空白。

新測序的123個(gè)苔蘚植物系統(tǒng)樹和基因組特征

全球首個(gè)苔蘚“超級(jí)泛基因組”平臺(tái)

一篇發(fā)表在《自然-遺傳學(xué)》上的評(píng)論文章表示：“這項(xiàng)里程碑式的成果為未來苔蘚基因組學(xué)研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，開啟了陸生植物基因組演化研究的新篇章。”

苔蘚的基因“工具箱”：種類多，創(chuàng)新性強(qiáng)

通過深入分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，盡管單個(gè)苔蘚植物的基因組可能不大，但它們基因家族的種類總量卻遠(yuǎn)超維管植物。苔蘚非冗余的基因家族有近64.7萬種，而維管植物只有約37.3萬種。

而且，苔蘚植物中“特有”及“譜系特異”基因家族的數(shù)量平均是維管植物的兩倍以上。這些基因家族不僅結(jié)構(gòu)獨(dú)特，功能也與苔蘚能在嚴(yán)酷環(huán)境中生存息息相關(guān)，例如耐旱、抗紫外線及抗病菌等。

苔蘚的“獨(dú)門基因”?是怎么來的？

苔蘚之所以能擁有如此豐富的基因家族多樣性，主要靠兩種“神操作”：

自己“從頭造”。就像把廢棄的“毛坯房”改造成功能齊全的“基因公寓”一樣，苔蘚能把基因組里那些原本不是基因的非編碼區(qū)，通過長年累月的演化，逐步改造成全新的、有功能的基因。這一現(xiàn)象此前主要在水稻、竹子等開花植物中被報(bào)道過。本研究首次將苔蘚植物納入新基因起源的研究范疇。

從微生物那里“抄”。苔蘚還是生物界的“基因搬家”高手，它們能直接從細(xì)菌、真菌、病毒等微生物那里“借用”有用的基因，這在科學(xué)上叫做“水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）”。

研究顯示，苔蘚植物每個(gè)基因組平均包含約229個(gè)來源于細(xì)菌、真菌、病毒等的“外源基因”，顯著高于維管植物的平均163個(gè)。并且與維管植物中多數(shù)HGT基因主要繼承自遠(yuǎn)古的陸地植物祖先不同，苔蘚的HGT事件貫穿于其演化歷程的各個(gè)階段。

a) 綠色植物在不同進(jìn)化節(jié)點(diǎn)獲得的水平轉(zhuǎn)移基因家族數(shù)量；b) 各類群中水平轉(zhuǎn)移基因家族的累計(jì)數(shù)量

苔蘚植物獨(dú)特的?抗蟲抗病“武器”

研究結(jié)果揭示了苔蘚植物中一個(gè)源自真菌的抗蟲蛋白基因家族的演化歷史。這種抗蟲蛋白（FBT）具有顯著的殺蟲活性，且分子量小、水溶性高，顯示出良好的應(yīng)用潛力。為了驗(yàn)證其效果，研究人員對(duì)該蛋白進(jìn)行了原核表達(dá)和純化，并進(jìn)行了昆蟲毒性試驗(yàn)。結(jié)果證實(shí)，該蛋白對(duì)棉鈴蟲具有高效的毒殺作用，并能顯著抑制草地貪夜蛾的生長。這一發(fā)現(xiàn)揭示了FBT蛋白基因家族在農(nóng)業(yè)抗蟲領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

a) 水平轉(zhuǎn)移的FBT毒蛋白基因演化歷史；b–e) FBT毒蛋白對(duì)草地貪夜蛾和棉鈴蟲的昆蟲毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

更令人驚喜的是，研究還發(fā)現(xiàn)了苔蘚植物獨(dú)特的免疫系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)在苔蘚植物基因組中發(fā)現(xiàn)了3類全新的抗病基因受體，這些基因就像植物免疫系統(tǒng)的“哨兵”，能精準(zhǔn)識(shí)別病原體的入侵并拉響警報(bào)。為了驗(yàn)證其功能，團(tuán)隊(duì)將這些基因轉(zhuǎn)入煙草中，并成功證實(shí)了它們能激活煙草的防御反應(yīng)，表現(xiàn)出抗病活性。

與維管植物相比，苔蘚植物的免疫系統(tǒng)具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與功能，其抗病基因的多樣性與創(chuàng)新性為深入探討植物—病原體互作機(jī)制提供了新的切入點(diǎn)。這些新發(fā)現(xiàn)的抗病基因有望成為培育高抗病性農(nóng)作物品種的重要基因資源，從而提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性與可持續(xù)性。

這項(xiàng)研究不僅改變了我們對(duì)苔蘚這種古老植物的認(rèn)知，也證明了植物的演化之路并非只有“變得高大復(fù)雜”一種。苔蘚通過獨(dú)特的“基因創(chuàng)新”和“基因借用”策略，同樣能成為地球上分布最廣、適應(yīng)能力最強(qiáng)的植物類群之一。本研究也為農(nóng)業(yè)抗逆基因篩選、環(huán)境恢復(fù)和生態(tài)監(jiān)測等應(yīng)用提供了關(guān)鍵的基因資源。

下次再看到路邊、墻角那層不起眼的綠色“絨毯”時(shí)，不妨多看它一眼——那小小的身體里，正藏著跨越5億年演化而來的基因智慧，默默演繹著“以小勝大”的生存?zhèn)髌妫?/p>

本研究主要合作單位包括深圳市仙湖植物園、深圳大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、比利時(shí)根特大學(xué)、澳大利亞莫納什大學(xué)、美國康涅狄格大學(xué)等機(jī)構(gòu)。仙湖植物園董珊珊，武漢華大生命科學(xué)研究院和基因組多維解析技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王思博、李林洲、余進(jìn)，深圳大學(xué)張永夏，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)薛佳宇為該文章的共同第一作者。仙湖植物園和華大生命科學(xué)研究院劉陽、劉歡，比利時(shí)根特大學(xué)Yves Van de Peer，澳大利亞莫納什大學(xué)John L. Bowman為文章共同通訊作者。

本課題得到深圳市城市管理和綜合執(zhí)法局科研專項(xiàng)（No. 202005, 202302, 202403），國家科技重大專項(xiàng)（2023ZD04073）和10KP計(jì)劃等基金支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/ng/volumes/57/issues/10

編輯：李麗