蕨類植物因擁有大量的染色體和大量的DNA而聞名。目前，一種不比餐盤大的蕨類植物保持着最高的染色體數量記錄，它的每個細胞核中都有720對染色體。科學家們一直對蕨類植物囤積DNA的傾向感到困惑，而它們的基因組難以處理的大小也使得對它們進行測序、組裝和解釋成為挑戰。現在，最近發表在《自然-植物》雜誌上的兩篇文章改寫了歷史，首次公布了具同形孢子蕨類植物的全長基因組，這是一個巨大的群體，包含了所有現代蕨類植物多樣性的99%。
“每一個基因組都講述了一個不同的故事，”共同作者、佛羅里達自然歷史博物館的傑出教授Doug Soltis說。“蕨類植物是所有種子植物最接近的活體近親，它們對食草動物產生化學威懾，可能對農業研究有用。然而直到現在，它們仍然是綠色生命中最後一個沒有基因組序列的主要品系。”
最近，兩個不同的研究小組獨立發表了桫欏（Alsophila spinulosa）和模式蕨類水蕨（Ceratopteris richardii）的基因組。
Ceratopteris的基因組分析為回答為什麼蕨類植物平均儲存的DNA比其他植物多這一長期的難題提供了提示。與其他物種的基因組比較發現，蕨類植物從細菌那裡“偷取”了它們的一些抗草食性毒素的基因。
自20世紀60年代以來，人們對蕨類植物含有如此多的DNA最青睞的解釋是全基因組的猖獗複製，即意外地將一組額外的染色體傳給一個生物體的後代。這有時是有益的，因為所有額外的基因可以作為新性狀進化的原材料。事實上，全基因組複製被認為與幾乎所有農作物的起源有關。
全基因組複製在植物甚至一些動物中都很常見，但大多數生物往往會隨着時間的推移拋棄多餘的基因包袱，瘦身為更小的基因組，在代謝上更容易維持。
斯坦福大學的博士後學者、前佛羅里達博物館的研究生Blaine Marchant說：“在過去的半個世紀里，這一直是一個主要的討論點，並導致了各種矛盾的結果。試圖弄清這一悖論背後的進化過程是令人難以置信的重要。”
有了第一個完全組裝的同胞蕨類基因組，科學家們終於準備好解決這個問題，但要做到這一點並不容易。對Ceratopteris龐大而複雜的基因組進行測序花費了八年多的時間，來自世界各地28個機構的數十名研究人員共同努力，其中包括美國能源部聯合基因組研究所。最後的結果是7.46 gigabases的DNA，是人類基因組的兩倍多。
如果Ceratopteris通過反覆的基因組複製事件增加了DNA，研究人員預計其39對染色體中的大部分將是相同的。但他們發現的是一個混合的重複序列和數以百萬計的被稱為跳躍基因的短片段，它們佔了蕨類植物DNA的85%。與其說是多個基因組副本，不如說Ceratopteris主要包含了數百萬年來積累的基因碎片。
“功能基因被大量的重複性DNA分開。雖然我們還不確定Ceratopteris和其他蕨類植物的基因組是如何變得如此之大的，但很明顯，關於基因組重複發作的普遍觀點並沒有得到支持，”共同作者、佛羅里達博物館館長和傑出教授Pam Soltis說。
作者指出，現在做出任何確定的結論還為時過早，特別是由於這是在這個群體中進行的第一個範圍的分析。與其他蕨類植物基因組的交叉比較將有助於更清楚地描繪出這些植物的進化過程。
Marchant說，儘管如此，這些結果表明，與幾乎所有其他植物相比，具同形孢子蕨類植物管理其遺傳內容的方式有明顯的區別。
“我們似乎發現，像開花植物這樣的東西，它們的基因組平均比蕨類植物小得多，只是更擅長擺脫垃圾DNA。它們更善於丟掉多餘的染色體，甚至在小規模複製后縮小規模。”
仔細觀察Ceratopteris內部的數十億個DNA鹼基對，發現有多個防禦基因為一種特別險惡的成孔毒素編碼。這些毒素與細胞結合，在那裡它們被激活並形成小的空心環，衝進細胞膜。水通過產生的孔洞湧入細胞，導致細胞破裂。
Marchant解釋說，科學家們對形成孔洞的毒素進行了深入研究，因為它們可能用於納米孔技術。然而，最常見的是，它們在細菌中被發現。
Marchant說：”這是蕨類植物DNA中這些細菌毒素相關基因的第一個具體證據，”他指出，這種相似性並不是一個巧合。
蕨類植物似乎沒有自己進化出這種毒素，而是通過一種叫做水平基因轉移的過程直接從細菌那裡獲得了這種毒素。鑒於該基因有多個副本分佈在三個獨立的染色體上，這很可能發生了不止一次。
他說：“令人着迷的是，這些基因的許多拷貝出現在植物的不同部位。一些在莖和根中高度表達，而其他拷貝只在葉子中表達，還有一些一般在所有組織中表達。我們目前不能確定這些基因的確切功能，但它們與細菌中的毒素形成基因的相似性肯定表明這些基因與防禦有關。”
這不會是蕨類植物第一次將外來DNA納入其基因組。2014年的一項研究表明，蕨類植物可能是通過借用遠緣植物的基因而進化出它們在陰暗環境中生長的特徵能力。然而，相隔數百萬年的進化的生物體究竟如何能夠交換全功能的基因，仍然不清楚。
Doug Soltis解釋說：“水平基因轉移背後的機制仍然是陸地植物進化中調查最少的領域之一。在進化的時間尺度上，這有點像中彩票。任何時候植物受傷，其內部都容易受到微生物的入侵，但它們的DNA被納入基因組似乎很神奇。”
作者說，這只是一系列研究中的第一步，其實際應用範圍從開發新型生物殺蟲劑到創新的新保護戰略等。