基於對菊科植物獨特的碳氮平衡系統的詳細了解，研究人員可以通過重建碳氮系統的策略來改善作物的適應性，以應對全球氣候挑戰。

　　由於具有豐富的物種多樣性和超強的環境適應性，菊科植物常被視為在進化上最為成功的植物，但其背後的分子遺傳機制尚不明確。

　　近日，北京市農林科學院楊效曾團隊和北京大學李磊團隊在權威期刊《自然·通訊》上發表題為“比較基因組學揭示了菊科特有的碳氮平衡系統”的研究成果。研究揭示了菊科特有的碳氮平衡系統，這種特有的系統或是菊科植物具有豐富的物種多樣性和極強的環境適應性的原因。

　　菊科植物具有豐富物種多樣性和極強環境適應性

　　菊科是真雙子葉植物中最大的一個科，菊科植物具有豐富的物種多樣性和極強的環境適應性。

　　論文通訊作者、北京市農林科學院研究員楊效曾&&，現在已知菊科植物至少有13個亞科、超過1700個屬和3萬種，其物種數量佔整個開花植物總數的約10%。菊科植物廣泛分佈在全世界，具有極強的適應性，能夠生存於除極地極寒地區以外的任何地區，包括沙漠、沼澤、凍土等極端環境中。另外一個能夠説明菊科植物具有超強環境適應性的是在《重點管理外來入侵物種名錄》中，菊科植物種類最多。在我國所有入侵有害植物中，菊科種類也最多，佔比約18%。

　　研究者普遍認為，菊科植物進化出了獨特的、千變萬化的頭狀花序，能夠更好地吸引授粉者，增加授粉幾率。同時，很多菊科物種的瘦果（瘦果是菊科植物中最常見的果實類型，它們通常是乾燥而狹窄的果實，內含單個種子）果皮部分進化出了獨特的結構，能夠利用風或粘在動物的皮毛上進行遠距離傳播，例如蒲公英的冠毛和蒼耳種子上的倒刺。菊科植物以菊糖（果聚糖的一種）作為代替澱粉，這是其能量的主要存儲形式。菊糖具有良好的水溶性，提高了菊科植物的滲透壓調節能力，因此也被認為是菊科植物能夠適應各種不同環境的重要因素。但目前人們並不清楚，在菊科植物豐富的物種多樣性和極強的環境適應性背後是否存在獨特的分子遺傳機制。

　　古多倍化事件對菊科植物成功進化具有重要意義

　　“草海桐科與菊科相比，僅有400多個物種，棲息地在太平洋和印度洋熱帶沿岸。本研究選取了草海桐科的代表物種草海桐，通過一系列組裝策略完成了草海桐高質量基因組組裝，為菊科研究提供了重要的外群參照。”楊效曾介紹。

　　為了更好地了解菊科植物，團隊通過三代測序技術、光學圖譜等技術完成了目前最高質量的萵苣參考基因組。

　　論文第一作者、北京市農林科學院生物所博士申飛介紹，比較基因組學研究揭示了菊科植物起源時間和古多倍化事件（古多倍化事件是種子植物的關鍵進化動力，有利於家係分化和快速擴張）的影響。

　　“將草海桐基因組作為參照，我們確定了菊科植物共有的古多倍化事件發生時間與草海桐科/菊科分化時間接近。草海桐科只發生了更為古老的事件，並沒有發生菊科植物共有的古多倍化事件。通過對古多倍化事件以後菊科植物保留區域（TRR）的分析，我們發現這些區域受到了高強度的選擇，具有更高的基因密度，許多與細胞壁合成、脂質合成、細胞膜形成、開花相關的基因得到了富集，這表明菊科植物共有的古多倍化事件對菊科植物的成功進化具有重要意義。”申飛説。

　　菊科植物的特異機制或讓其擁有超級適應性

　　研究發現，菊科植物通過古多倍化事件和關鍵代謝基因的串聯複製逐步升級了碳氮平衡系統，從而增強了氮吸收和脂肪酸生物合成能力。通過在基因組層面比較結合1000份陸生植物轉錄組數據，團隊發現菊科植物中調控碳氮平衡的關鍵基因PII發生了丟失。

　　團隊進一步以萵苣為模式植物，進行了一系列試驗。研究發現，轉入PII基因的萵苣株係的碳氮平衡體系被打破，説明了PII基因的丟失對菊科植物碳氮平衡的進化起到了重要作用。

　　“碳元素和氮元素是植物生長髮育所必需的兩個元素。對植物而言，對碳元素的吸收主要依靠光合作用固定空氣中的二氧化碳。對於氮元素，植物則主要依靠根從土壤中吸收和同化。”楊效曾&&。

　　菊科植物約佔開花植物的1/10，強有力的氮同化能力和獨特的碳氮平衡系統或為其佔據廣泛的生態位提供了重要的代謝基礎。

　　楊效曾&&，基於對這種獨特的碳氮平衡系統的詳細了解，研究人員可以通過重建碳氮系統的策略來改善作物的適應性，以應對全球氣候挑戰。