从地钱基因组洞悉雌雄同体趋同进化的奥秘

本文聚焦地钱，通过对多形地钱（Marchantia polymorpha）和四方形地钱（Marchantia quadrata）的研究，发现地钱向雌雄同体（monoicy）进化时，保留雄性（V）染色体、丢失雌性（U）染色体。关键基因发生易位和调控变化，为理解性染色体进化提供重要依据，值得一读。

研究背景

在真核生物的奇妙世界里，繁殖方式多种多样，其中性别的决定和生殖系统的进化一直是生物学研究的热点领域。性染色体在性别决定中起着关键作用，它们源于一对常染色体，通过获得非重组的性别决定区域而逐渐分化。在许多生物中，性染色体上会积累对一种性别有利但对另一种性别有害的基因或等位基因，这就导致了性别特异性的基因调控网络的形成。对于从雌雄异体进化到雌雄同体的生物来说，如何在保证两种性别功能都能正常发挥的同时，尽量减少性染色体上的拮抗效应，成为了一个极具挑战性的问题。

在地钱这一古老的植物类群中，它们的性别由单倍体的 U（雌性）和 V（雄性）染色体决定，并且从雌雄异体（dioicy）到雌雄同体（monoicy）的转变多次独立发生。这种独特的生物学特性使得地钱成为研究性别决定和生殖系统进化的绝佳模型。此前对浮萍地钱（Ricciocarpos natans）的研究发现，其向雌雄同体进化时，保留了 V 染色体，丢失了 U 染色体，并且 U 染色体上的基因发生了易位。然而，这种进化模式是否具有普遍性，以及其中的分子机制究竟如何，仍然有待进一步探索。

实验材料与方法

研究人员精心采集了四方形地钱（Marchantia quadrata）的孢子体，这些孢子体来自日本南阿尔卑斯市的北岳山，随后通过单孢子分离技术建立了无菌培养体系。在实验室中，这些地钱被培养在含有 1% 琼脂的半强度 Gamborg’s B5 培养基、BCD 培养基或者土壤中，为后续实验提供了稳定的材料来源。

在基因组研究方面，研究人员运用了一系列先进的技术手段。他们首先采用改良的 CTAB 协议从无菌培养的配子体材料中提取基因组 DNA，然后利用 PacBio HIFI 技术进行测序。测序数据经过 HiFiAsm - 0.19.5 - r587 + HiC 组装和 RACON v1.4.3 的精心打磨，确保了基因组序列的准确性。之后，通过 JUICER pipeline v1.6 将重叠群进行定向、排序和连接，成功构建出染色体水平的基因组。此外，研究人员还利用 GetOrganelle v1.7.7.0 组装了叶绿体和线粒体基因组，并使用 GeSeq v2.03 和 OGDRAW v1.3.1 进行注释和可视化，从而全面地解析了四方形地钱的基因组结构。

为了深入了解基因的功能和表达情况，研究人员提取了不同组织的 RNA，包括配子体、雄配子体和雌配子体等。他们构建了 Illumina 配对末端定向文库和 Iso - Seq 文库，并进行测序。通过 Braker v3.0.1 软件，结合转录组数据和蛋白质数据集，对基因组进行注释，准确地识别出基因模型。同时，利用 RepeatModeler v2.0.3 和 RepeatMasker v4.0.9 等工具，对基因组中的重复元件进行了详细的分析。

在探索基因的进化关系时，研究人员收集了多形地钱的配子体基因对，并结合最新的基因组版本进行修订。通过添加浮萍地钱和四方形地钱的同源基因模型以及转录组序列，利用 OrthoFinder v2.3.11 进行分析，构建了系统发育树，清晰地展现了基因的进化轨迹。

实验结果

研究人员成功绘制出四方形地钱的基因组图谱，它由九条染色体组成，其中八条大型染色体与多形地钱的常染色体具有共线性，而第九条染色体（chromosome 9）则表现出性染色体的典型特征。通过深入分析发现，chromosome 9 来源于 V 染色体，而 U 染色体在进化过程中丢失，不过有四个基因转移到了常染色体上。这一发现揭示了四方形地钱在进化过程中性染色体的重大变化，为理解其雌雄同体的进化机制奠定了基础。

在四方形地钱中，每个个体都能产生雄性和雌性生殖器官。研究人员发现，性别决定的关键基因Feminizer（BPCU）从 U 染色体易位到了常染色体上，并且发生了复制。这一变化使得四方形地钱能够在同一个体中实现雄性和雌性的生殖功能。进一步的实验表明，BPCU在雌性生殖器官中高表达，而在雄性生殖器官中几乎检测不到，这与多形地钱中性别决定基因的调控模式相似，暗示着这种调控机制在进化过程中具有一定的保守性。

研究人员还对多形地钱、浮萍地钱和四方形地钱的基因进行了全面的比较分析。他们发现，这三种地钱中保留的同源基因高度重叠，尤其是 V 染色体上的基因，这表明这些基因对于维持生殖功能至关重要。然而，在保留的配子体基因等位基因方面，浮萍地钱和四方形地钱之间并没有明显的一致性。综合这些结果，研究人员推测在向雌雄同体进化的过程中，V 染色体可能比 U 染色体保留了更多对生殖发育至关重要的基因。

研究结论

通过对四方形地钱和浮萍地钱的深入研究，研究人员发现它们在向雌雄同体进化的过程中展现出惊人相似的进化轨迹。这主要归因于两个关键因素：一方面，自然选择倾向于避免 U 和 V 性染色体同时存在，以减少它们之间的性拮抗效应，同时确保每个个体都能具备雄性和雌性的性功能；另一方面，V 染色体可能携带了更多对产生性器官和配子体至关重要的基因。

在四方形地钱中，研究人员还观察到参与性别决定和分化的基因在进化过程中功能保持相对稳定，同时Feminizer基因（BPCU）获得了环境或发育调控的能力，这使得同一个体能够产生雄性和雌性的生殖结构。研究人员推测，BPCU基因的复制和易位可能是实现雌雄同体的关键步骤，这一发现为深入理解地钱的性别进化机制提供了新的视角。

然而，目前的研究仍存在一些局限性。虽然研究人员已经揭示了关键的性别决定分子机制在四方形地钱和多形地钱之间具有一定的保守性，但究竟是哪些环境或发育因素调控着雄性和雌性性器官的独立形成，仍然是一个未解之谜。此外，目前的研究仅基于两个物种，要想将这些发现推广到更广泛的地钱或真核生物中，还需要进一步的研究。未来的研究可以通过在不同环境条件下测试雄性和雌性性结构的形成，以及扩大分析范围，涵盖更多独立进化为雌雄同体的物种，来填补这些知识空白，从而更全面地揭示性染色体进化的奥秘。