中国科学院武汉植物园高磊博士在王艇研究员指导下，揭示了蕨类植物叶绿体基因组进化的复杂动态，显著丰富了对蕨类基因组结构变异的理解。该研究成果于2024年4月13日发表于国际权威期刊《BMC Plant Biology》。
此前，武汉植物园团队已完成我国首个蕨类植物叶绿体基因组全序列测定（BMC Evolutionary Biology, 2009, 9:130），并发现蕨类叶绿体基因组中大单拷贝区的rpoB和psbZ基因间区（简称BZ区）存在两种基因顺序类型：一类为以观音座莲和松叶蕨为代表的祖先型（座莲型），另一类为以桫椤和铁线蕨为代表的衍生型（铁线蕨型）。研究推测，座莲型向铁线蕨型的转变可能通过两条进化路径实现，涉及两次部分重叠的倒位事件，但具体的进化机制尚未明晰。
为深入解析该结构性重组过程，研究团队针对涵盖现存蕨类所有11个目，重点测序并分析了BZ区的基因组进化特征。结果显示，除核心薄囊蕨类（包括树蕨类、水龙骨类和异孢蕨类）外，其他蕨类均呈现座莲型基因顺序；而核心薄囊蕨类绝大多数表现为铁线蕨型。令人意外的是，树蕨类华东瘤足蕨（Plagiogyria japonica）展现出不同于前两者的基因顺序（瘤足蕨型），推测其基因组结构可能是在铁线蕨型基础上经历了一次小型回复倒位。
此外，膜蕨类南海瓶蕨（Vandenboschia radicans）及木贼类问荆（Equisetum arvense）和节节草（Equisetum ramosissimum）的trnY-trnE基因间区（YE-IGS）中发现大量重复序列。南海瓶蕨YE-IGS含有17个高度相似的27bp串联重复序列，这些序列与邻近的trnY-GUA基因反密码子区同源，且均可形成茎环二级结构。问荆和节节草的YE-IGS区域极度扩展至约5kb，包含数百个散布重复序列，这些序列同样与trnY反密码子区高度同源并能形成茎环结构，显示出复杂的重复扩增现象。
研究还确认蕨类植物的trnD-GUC基因经历过一次倒位事件，且ycf66基因在蕨类中多次丢失，这些基因组变异为理解蕨类叶绿体基因组的进化提供了重要线索。
该研究不仅深化了对蕨类叶绿体基因组结构变异和进化机制的认识，也为植物基因组进化研究提供了新的范例。中山大学生命科学学院苏应娟教授课题组参与了部分相关研究工作。