《科学》杂志于创刊125周年（2005）和141周年（2021）两次发布人类当前与未来需要面对的125个基础科学难题。其中一个耐人寻味的是“为什么有些基因组非常大而另一些却很小？”动物、植物、真菌、原生生物等因为拥有细胞核，统称真核生物，其细胞核内蕴藏的遗传物质DNA从2M到超过160G个碱基，跨越5个数量级。超过10G的基因组，被称为巨型基因组，它们是如何形成，在长期演化的历史长河中如何维持，为什么要维持如此庞大、极度冗余的遗传物质？
近日，中国科学院成都生物研究所王杰青年研究员，联合陕西师范大学黄原教授和刘玄增博士后，系统综述了巨型基因组的形成与维持机制。相关研究成果以Formation and maintenance of genome gigantism为题发表在Cell旗下遗传学权威期刊Trends in Genetics，并入选为封面论文。
封面论文“巨型基因组”
巨型基因组蕴含大量深邃未被探索的“遗传暗物质”，如月之暗面，而明暗月折射中国传统的阴阳哲学，隐喻暗物质积累与宿主清除、遗传漂变协同演化形成的动态平衡。拥有巨型基因组的生物有云冷杉、蕨类、百合花、蝗虫、墨西哥钝口螈、大鲵、南极磷虾、肺鱼等。
主要研究结果如下：
1. 巨型基因组在系统发育树上的分布
巨型基因组生物在生命演化中呈离散分布，松柏、磷虾、肺鱼、蝾螈等关键类群多具备巨型基因组。基因组扩张未必产生演化负荷，特定条件下可成为适应性进化的重要基础，如南极磷虾、非洲肺鱼的庞大基因组即蕴含耐寒、抗压及应对环境波动的潜能。直翅目昆虫与高再生能力的有尾两栖类同样出现基因组巨型化并伴随适应性辐射，这一现象挑战了 “基因组巨型化代价高昂” 的传统观点。但基因组巨型化是否集中发生于生态剧变、生物大灭绝等关键时期，目前尚无定论。
图1 真核生物生命之树中巨型基因组类群的分布格局
生命复杂度与基因组大小不成比例的现象被称为C值悖论或C值之谜
2. 巨型基因组的形成
基因组极度扩张并非单一因素驱动，而是突变、中性保留与选择性清除共同作用的结果，且并非长期匀速累积，多由关键事件爆发式推动。全基因组加倍与转座子爆发是基因组快速膨胀的两大核心机制。同时，DNA 丢失速率亦很关键：部分类群因不等重组介导的DNA删除频率下降，造成DNA“增多于减”的累积效应，促使基因组持续膨大。
目前学界的争议在于基因组大小变异主要由近中性过程主导，还是受自然选择驱动。
3. 巨型基因组的维持
任由转座子等重复序列在基因组里随意扩增，易引发生物机体功能紊乱、不育等负面后果。因此，巨型基因组生物的长期存活，离不开其自身强大的维稳体系，主要包括表观遗传封印、基因组3D结构重塑、转录前后沉默调控等。
图2 巨型基因组的形成与维持机制
综上，巨型基因组的诞生并非偶然，如同雪崩的形成离不开每一片雪花的累积，是各种力量在多维空间内循环博弈的结果。巨型基因组在生命之树上的稀疏分布表明，不同谱系类群的基因组爆发式扩张均为独立演化进程。据此，我们凝练出以下关键科学问题：
1）生态环境的变化是基因组巨型化的诱因，还是仅对基因组随机突变结果起到筛选过滤作用？
2）巨型基因组具备哪些功能效应？
3）基因组巨型化与物种形成、宏演化进程之间存在怎样的的关联？
上述研究以王杰博士和陕西师大黄原教授为通讯作者，刘玄增博士后为第一作者，得到了国家自然科学基金（32370474，32170435）、国家林业和草原局应急揭榜挂帅项目（202303）的资助。
原文链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016895252600003X