英文标题：Genome and Single- Cell Transcriptome Reveal the Evolution of Holoparasitic Plants: A Case Study of Cistanche deserticola

发表期刊：Plant Biotechnology Journal （IF=10.5）

发表时间：2025.12

2025年12月3日，中国医学科学院药用植物研究所黄林芳研究员、成都中医药大学陈士林院士团队在《Plant Biotechnology Journal》（IF=10.5）发表了题为“Genome and Single- Cell Transcriptome Reveal the Evolution of Holoparasitic Plants: A Case Study of Cistanche deserticola”的研究论文，构建了肉苁蓉染色体级参考基因组，并结合单细胞转录组技术，从基因组动态变化、细胞功能特化等维度，系统揭示了全寄生植物的适应性演化规律，同时搭建了肉苁蓉专属多组学数据库，为寄生药用植物的基础研究与资源保护提供了关键支撑。

贝纳基因参与了该项目肉苁蓉基因组的测序、组装、注释等工作。

研究背景

肉苁蓉（Cistanche deserticola），俗称“沙漠人参”，既是我国西北荒漠地区传统名贵中药材，也是具有重要经济价值的特色沙生作物。作为一种完全依赖寄主生存的全寄生植物，肉苁蓉既没有功能完整的叶片，也丧失了光合作用的能力。长期以来，其全寄生生活方式的分子与细胞层面演化机制尚未明晰。

主要研究成果

1. 肉苁蓉基因组组装与注释

研究团队成功完成肉苁蓉染色体水平基因组组装，初步组装的基因组大小为5.43Gb，并将 5.33 Gb 的基因组序列挂载至 21 条染色体，经 BUSCO 评估，基因组完整性达 96.5%。通过基因组注释，共鉴定出 42,738 个蛋白编码基因，其中 87.12% 的基因可以在至少一个公共数据库中获得功能注释信息。

图1 肉苁蓉的生境与基因组概况

2. 列当科的系统发育关系与祖先重建

列当科系统发育研究显示，自养植物是列当科的祖先类群，半寄生和全寄生植物均由自养植物独立进化而来。肉苁蓉所在的全寄生分支约在 4001 万年前与其他寄生分支分化。生物地理分析显示列当科起源于中东、南亚、东亚及东南亚，寄生类群祖先主要分布在东亚和东南亚，肉苁蓉所在的全寄生分支随后向北扩散至欧亚大陆，约在 2463 万年前进一步扩散到北美，最终适应了荒漠生态环境，其物种多样性与局域适应和地理扩散密切相关。

图2 列当科系统发育关系及历史生物地理学研究

3. 寄生植物的基因家族演化与基因组大小特征

寄生植物展现出极端的形态分化特征，其基因家族可能经历了独特的扩张与收缩模式。本研究选取了八种全寄生、半寄生和自养植物，探究其基因家族规模的变化。研究结果显示，随着寄生程度的增加，基因家族的规模和数量均呈现缩减趋势。其中，半寄生植物中 68%-77% 的保守基因家族的基因数低于平均值，全寄生植物中这一比例也达到60%-89%。基因功能富集显示，寄生初现时，收缩基因家族主要富集于生物节律与细胞通讯，扩张基因家族则集中于能量代谢与基因调控。随寄生演化推进，收缩家族进一步在光合、免疫及次级代谢中富集；扩张家族则从线粒体相关通路延伸至丝氨酸-tRNA连接酶等酶活性通路。

列当科植物的基因组大小存在显著差异，该特征可能与其生态及生活史的多样性密切相关。为探究影响这些寄生植物基因组扩张的主要因素，研究团队首先对8个物种的重复序列特征进行了比较，发现重复序列数量增加，特别是LTR的插入，是基因组增大的主要原因。肉苁蓉作为其中最大的基因组，重复序列比例占整个基因组的93.4%，其中LTR占比84.22%，且近期（约0.54与0.42百万年前）LTR积累显著加快。此外，WGD也可能是基因组增大的原因之一，本研究通过与斑点猴面花（Erythranthe guttatus）的共线性和Ks分析发现肉苁蓉曾发生过一次与近缘类群共享的全基因组三倍化（whole-genome triplication, WGT）事件，进一步促进了基因组的扩张。

4. 寄生植物的基因丢失模式

基因大量丢失是寄生植物的核心特征之一。本研究在自养植物中鉴定出11922个保守同源基因群，用于分析寄生植物的基因丢失情况。结果表明，基因丢失程度与寄生水平呈正相关：半寄生植物保守基因丢失率为3.30%-5.45%，全寄生植物丢失率显著升高至10.83%-21.58%。在全寄生植物中，肉苁蓉的同源基因丢失数量最多，且可能与特定基因家族的丢失有关。功能富集分析显示，丢失基因主要集中于光合作用、开花调控、免疫应答等通路。半寄生植物在细胞发育相关基因中丢失率较高；全寄生植物则大幅丢失了光合作用、开花调控及免疫应答等自主生存必需的基础功能基因。

与半寄生植物相比，全寄生植物因完全依赖宿主而丧失了光合能力，导致其质体基因组大幅缩减，丢失基因多与光合作用及质体自我复制相关。其中肉苁蓉丢失了编码ATP合酶亚基的 atpH 和 atpI 基因，暗示其质体可能经历了独特的演化路径。

图3 半寄生的和全寄生物的植株的基因丢失特征

5. 肉苁蓉的特异性基因丢失与获得

全寄生植物无法通过常规途径直接调控开花过程，但仍需通过开花实现繁殖，说明其开花过程具有独特的调控机制。研究团队利用开花调控基因数据库对肉苁蓉进行了分析，发现其光周期、春化、花器官发育、赤霉素受体及生物钟等开花调控通路基因几乎完全丢失，核心基因FLC、FT和SOC1均未检出。与之相反，与糖信号通路、植物衰老途径及自主开花途径相关的基因受到的影响相对较小，其中糖信号通路相关基因的保守性最高，表明糖信号通路可能仍参与调控肉苁蓉的生长发育过程。

寄生植物可借助水平基因转移（HGT）的方式获得宿主基因，研究团队在肉苁蓉基因组中共鉴定出 115 个源自宿主的水平转移基因，大多分布在染色体的末端区域。这些基因编码的蛋白质主要定位于细胞质，参与能量代谢、RNA修饰、物质转运及分解代谢等生物学过程，这种基因分布特征与功能富集模式为其与宿主的互作及适应性生存构建了全新的生化基础。

图4 肉苁蓉与开花时间调控相关的基因的水平转移和丢失

6. 基于单细胞RNA测序技术解析肉苁蓉寄生相关细胞

研究团队对肉苁蓉茎组织进行单细胞RNA测序，共鉴定出 32074 个细胞，不同细胞类型中单个细胞的基因表达中位数为 1114 个。通过与拟南芥标记基因数据库进行比对，成功注释出12个细胞集群，包括后生韧皮部筛管细胞、维管组织细胞、韧皮部极中柱鞘细胞及表皮细胞等。值得注意的是，大部分水平转移基因在 10 号和 11 号细胞类群中呈现高表达，且这两个类群不存在与拟南芥相对应的同源基因，因此被定义为“寄生相关细胞”。

图5 肉苁蓉茎的单细胞图谱及寄生相关细胞的鉴定

为探究寄生相关细胞在不同发育阶段的基因表达谱变化，本研究针对 10 号和 11 号寄生相关细胞类群开展拟时序分析。结果显示，寄生相关细胞被定位在拟时序轨迹的末端。从轨迹起点到终点，基因表达呈现阶段性变化：早期基因主要参与核酸结合、ATP结合等功能，而末期基因则显著富集于碳水化合物代谢过程，揭示其在发育后期可能通过增强碳代谢以适应寄生营养获取。

图6 寄生相关细胞发育轨迹的重建

7. 苯乙醇苷生物合成的细胞类型特异性分布

苯乙醇苷是肉苁蓉中一类具有多种药理活性的关键化合物，单细胞转录组分析显示，肉苁蓉茎中苯乙醇苷合成通路基因的表达具有明确的空间分布规律。维管组织细胞主要表达苯丙氨酸代谢通路基因，以及多巴胺/酪氨酸代谢通路中的部分关键酶。而多巴胺/酪氨酸代谢通路中间环节——从酪氨酸到酪胺、以及从L-多巴到多巴胺的转化相关酶类，以及多酚氧化酶，在寄生相关细胞中高度富集。这些结果表明，维管组织细胞与寄生相关细胞通过功能协同，共同调控了苯乙醇苷的生物合成，是维持肉苁蓉苯乙醇苷多样性的关键细胞类型。

8. 肉苁蓉多组学数据库

研究团队构建了一个专门的肉苁蓉多组学数据库，该数据库以多组学形式整合了基因组与转录组数据，包含两大核心模块：

（1）基因组模块，提供基因组序列、基因结构及功能注释信息；

（2）单细胞转录组模块，提供单细胞图谱、细胞类型注释及富集分析结果。

此外，该数据库还集成了多种分析工具，包括序列比对、热图分析、多序列比对、韦恩图分析、序列获取及共线性分析等。研究人员可结合该专用数据库使用这些工具，以达成预期的研究目标。

图7 肉苁蓉专用数据库数据模块和工具包

参考文献：

Zhang X, et al. Genome and Single-Cell Transcriptome Reveal the Evolution of Holoparasitic Plants: A Case Study of Cistanche deserticola. Plant Biotechnology Journal, 2025.