近日，永利官网林学院林思祖/刘仲建教授课题组联合比利时根特大学、美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、百迈客生物等国内外科研团队，历经十年攻关研究，在国际权威期刊Cell Reports上发表了题为“Cunninghamia lanceolate genome illuminates the evolutionary dynamics of gymnosperms”（杉木基因组揭示裸子植物进化动态）的研究论文，成功破译我国重要用材树种杉木（Cunninghamia lanceolata）基因组。这是该团队于2022年10月在Biorxiv平台上公布杉木基因组研究成果（https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.10.25.513437v1）的基础上，进一步整合杉木和其他裸子植物基因组数据，揭示裸子植物的演化动态和杉木种群历史、繁殖器官发育调控、涩籽形成等特有性状分子调控机制。该研究为杉木分子育种和精准栽培提供重要基础数据。
图1 杉木基因组高质量基因组论文在Cell Reports期刊发表
杉木（Cunninghamia lanceolata）是我国人工林面积和蓄积量最大的树种，在保障国家木材安全、构筑南方生态屏障、推动林业产业高质量发展中具有不可替代的重要作用。作为起源于中生代晚侏罗纪的古老孑遗植物，杉木基因组庞大且复杂，重复序列占比高，加上裸子植物特有的复杂基因组结构，使得高质量基因组的解析成为制约杉木基础生物学研究的阻碍，也极大限制了杉木精准分子育种技术的应用。
研究团队利用PacBio单分子测序、Hi-C染色质构象捕获、Illumina高通量测序及转录组辅助注释等技术，获得11.24Gb杉木基因组序列，组装到11条染色体上（长度从0.64Gb到1.55Gb），并注释出37,225个蛋白编码基因。基于高质量杉木基因组数据，研究团队将杉木基因组与云杉、银杏、苏铁等代表性裸子植物进行系统比较，揭示了杉木及裸子植物共有的基因家族扩张与收缩规律，完善了裸子植物演化谱系。研究发现，杉木大基因组的形成关键在于长末端重复序列（LTR）的插入和去除机制的确实。通过整合贝叶斯框架的WHALE模型和Critical模型，研究团队明确了种子植物共同祖先的全基因组加倍（WGD）事件，而杉木为发生物种特有的加倍事件。同时，研究团队还通过种群演化溯源分析、涩籽发生过程转录调控分析和生殖器官发生演化模型分析，系统阐释了冰期后杉木避难与种群扩张路径、涩籽发生分子机制和裸子植物生殖发育等关键问题。
图2 种子植物的全基因组复制（WGD）事件 a.基于Ks分析的种子植物系统发育树；b.两种模型（临界DL+WGD/宽松DL+WGD）推断种子植物WGD事件；c.基于WHALE分析的种子植物WGD保留率（q）后验分布
永利集团88304官网在线登录是全国开展杉木研究最早、成果积累最深厚的研究机构之一，拥有60余年杉木研究的学术积淀。自上世纪50年代俞新妥教授率先开展我国杉木种源试验以来，依托国家林业和草原局杉木工程技术研究中心，永利官网杉木研究团队数代科研工作者始终坚持杉木良种繁育长期耕耘，推动林业产业高效发展的科研目标，先后收集保存大量杉木特异性状种质资源，建成了全国杉木特异性状种质资源库，为杉木育种提供了核心种质资源支撑。同时，团队相继建立了杉木高效再生体系，初步构建了杉木遗传转化体系与瞬时基因编辑体系，攻克了杉木分子育种的关键技术瓶颈，形成良种与立地匹配的人工林定向培育技术，构建起覆盖基础研究、技术研发到产业应用的杉木全产业链技术体系，有力支撑了我国杉木产业发展。
此次杉木高质量基因组破译研究，是杉木基础生物学领域的重要突破，补齐了杉木分子遗传研究的短板，为杉木重要性状遗传解析和精准分子育种提供了权威的基因组参考。另一方面，杉木基因组也极大丰富了全球裸子植物演化研究体系，为世界范围内林木遗传育种提供了可参考的技术路径，标志着杉木育种研究迈入了基因组选择与分子设计的新阶段。这一成果为实现杉木早期选择、缩短育种周期、提高育种效率提供了技术支撑，也为基因编辑技术在杉木的应用铺平了道路，将为杉木人工林高质量发展注入新的科技动能。
图3 课题组主要成员刘仲建教授（左一）、林思祖教授（左二）、马祥庆教授（左三）
该研究获得了永利集团88304官网在线登录高峰学科建设（118-612014032；KLE18010A、72202200205）、国家重点研发计划项目（2021YFD2201302）、国家自然科学基金（No.32572020）等经费支持。永利集团88304官网在线登录为论文第一单位和通讯单位，通讯作者为刘仲建教授，第一作者为林思祖教授。永利官网林学院陈宇博士、孙维红博士，计算机与信息学院吴超博士和比利时根特大学李臻博士为论文共同第一作者；永利官网海峡联合研究院明瑞光（Ray Ming）教授、比利时根特大学Yves Van de Peer教授和北京百迈客生物科技有限公司郑洪坤为论文共同通讯作者。永利官网兰思仁教授、马祥庆教授、张飞萍教授、林开敏研究员、何宗明研究员、丁国昌研究员、曹光球研究员、吴鹏飞教授等，以及武汉大众源生科技有限公司王志文团队参与了本研究。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211124726006443
