科学家在蔷薇科叶绿体系统发育基因组研究中取得进展

豆科是被子植物第三大科,约有765属19500种。豆科植物世界广布,形态和生活型高度多样。豆科的经济价值仅次于禾本科,但豆类植物是人类最重要的植物蛋白质来源,在某些贫困地区甚至是唯一的蛋白质来源。豆科植物中约88%的种具有根瘤固氮功能,为农业和自然生态系统提供了重要生物氮。“绿肥”的使用对减少化肥特别是氮肥的使用,改良土壤生态系统具有重要意义。

系统发育基因组学是基因组学和系统发育生物学融合产生的一个交叉学科,主要用基因组水平的大规模分子数据解析生物之间的系统发育关系,并利用系统发育原理研究基因组进化机制。基因组大量的数据信息具有“缓冲”作用,能减少系统发育重建中的随机误差,使得引起基因树冲突的各种生物学因素被逐一分析,是当前重建生命之树,解析困难系统发育关系的最有效途径。由于大小适中、核苷酸置换率适度、容易比对、不存在旁系同源问题等优点,叶绿体基因组已经被广泛应用于解析困难类群的系统发育关系。蔷薇科包括约90属3000种,全球广布,具有多种世界最具经济价值的水果,如苹果、梨、桃、李、杏、樱桃、山楂,以及著名花卉如玫瑰、月季、梅花。植物学家对蔷薇科开展了大量分类和系统关系的研究,但由于频繁的杂交、孤雌生殖和可能的快速辐射分化等因素的影响,该科的亚科、族、属分类范畴仍存在很大争议,主要分支间系统发育关系难以解析,是系统发育重建最困难的植物类群之一。

系统发育基因组学是基因组学和系统发育生物学融合产生的一个交叉学科,主要用基因组水平的大规模分子数据解析生物之间的系统发育关系,并利用系统发育原理研究基因组进化机制。基因组大量的数据信息具有
“缓冲”
作用,能减少系统发育重建中的随机误差,使得引起基因树冲突的各种生物学因素被逐一分析,是当前重建生命之树,解析困难系统发育关系的最有效途径。由于大小适中、核苷酸置换率适度、容易比对、不存在旁系同源问题等优点,叶绿体基因组已经被广泛应用于解析困难类群的系统发育关系。蔷薇科包括约
90 属 3000
种,全球广布,具有多种世界最具经济价值的水果,如苹果、梨、桃、李、杏、樱桃、山楂,以及着名花卉如玫瑰、月季、梅花。植物学家对蔷薇科开展了大量分类和系统关系的研究,但由于频繁的杂交、孤雌生殖和可能的快速辐射分化等因素的影响,该科的亚科、族、属分类范畴仍存在很大争议,主要分支间系统发育关系难以解析,是系统发育重建最困难的植物类群之一。

传统上豆科被划分为三亚科,即云实亚科、含羞草亚科和蝶形花亚科乃至三个独立的科,并被广泛接受和认可。国内外几乎所有的标本馆、植物志、野外采集手册和文献中,豆科都是按照三个亚科的分类系统来划分的。近年来,分子系统学的研究发现云实亚科为并系类群,含羞草亚科和蝶形花亚科作为单系分支嵌套在其中,传统的三个亚科的分类系统受到了质疑。中国科学院昆明植物研究所研究员伊廷双作为成员参加的国际豆科系统发育工作组(Legume
Phylogeny Working
Group,即LPWG)基于叶绿体matK序列数据,构建了一棵迄今为止取样最全(约91%的属和20%的种)的豆科系统发育树,并结合形态证据,提出了六个亚科的新分类系统。该分类系统中,仅原蝶形花亚科PapilionoideaeDC.被保留;原含羞草亚科不复存在,而成为新云实亚科Caesalpinioideae
DC.一个分支mimosoid
clade;除保留在新云实亚科中的类群,原云实亚科其余四个分支新拟为四个亚科:即紫荆亚科Cercidoideae
LPWG (stat. nov.)、甘豆亚科Detarioideae Burmeist.、酸榄豆亚科Dialioideae
LPWG (stat. nov.)和山姜豆亚科Duparquetioideae LPWG (stat.
nov.)。新的分类系统对豆科分类学、基因组学、发育生物学和进化生物学研究将会产生重要影响。该研究以A
new subfamily classification of the Leguminosae based on a taxonomically
comprehensive phylogeny
为题发表在Taxon上。

中国科学院昆明植物研究所中国西南野生生物种质资源库伊廷双和李德铢研究组多年致力于蔷薇目的系统发育和进化研究,相继对蔷薇目(Zhang
et al. 2011,Molecular Phylogenetics and Evolution)、大麻科(Yang et
al. 2013,Taxon; Yang et al. 2017, PLoS One)和荨麻科(Wu et al.
2013,Molecular Phylogenetics and
Evolution
)等类群开展分子系统学研究。通过与英国皇家植物园邱园Mark W.
Chase、佛罗里达大学教授Douglas E.
Soltis合作,依托中国西南野生种质资源库分子生物学实验中心的设施和平台,利用叶绿体系统基因组学的方法重建了蔷薇科79属132种的系统发育树,成功解析了蔷薇科各亚科、族和属间系统发育关系。基于这棵高支持率、高分辨率的系统发育树,估算了蔷薇科及其主要分支的起源和分化时间,推断了古气候对蔷薇科主要分支多样化的影响。主要结论包括:1)在叶绿体系统发育基因组学研究中,序列的比对质量和模型选择对于正确解析类群间系统发育关系至关重要;2)蔷薇科亚科、族和大部分属间系统发育关系获得解析并被很好支持;3)蔷薇科起源于晚白垩纪,之后经历了多次的多样化速率的变化;4)亚科和族的快速多样化发生在晚白垩纪的温暖湿润的环境中,而从早渐新世以来属的多样化发生在干冷的环境中。

中国科学院昆明植物研究所中国西南野生生物种质资源库伊廷双和李德铢研究组多年致力于蔷薇目的系统发育和进化研究,相继对蔷薇目(Zhang
et al. 2011,Molecular Phylogenetics and Evolution)、大麻科(Yang et
al. 2013,Taxon; Yang et al. 2017, PLoS One)和荨麻科(Wu et al.
2013,Molecular Phylogenetics and
Evolution)等类群开展分子系统学研究。通过与英国皇家植物园邱园 Mark W.
Chase、佛罗里达大学教授 Douglas E. Soltis
合作,依托中国西南野生种质资源库分子生物学实验中心的设施和平台,利用叶绿体系统基因组学的方法重建了蔷薇科
79 属 132
种的系统发育树,成功解析了蔷薇科各亚科、族和属间系统发育关系。基于这棵高支持率、高分辨率的系统发育树,估算了蔷薇科及其主要分支的起源和分化时间,推断了古气候对蔷薇科主要分支多样化的影响。主要结论包括:1)在叶绿体系统发育基因组学研究中,序列的比对质量和模型选择对于正确解析类群间系统发育关系至关重要;2)蔷薇科亚科、族和大部分属间系统发育关系获得解析并被很好支持;3)蔷薇科起源于晚白垩纪,之后经历了多次的多样化速率的变化;4)亚科和族的快速多样化发生在晚白垩纪的温暖湿润的环境中,而从早渐新世以来属的多样化发生在干冷的环境中。

豆科是被子植物叶绿体基因组经历重大结构变化的几个分支之一。先前的研究由于取样有限,一般认为结构变化主要发生在原蝶形花亚科中,原云实亚科和含羞草亚科的叶绿体基因组和大多数其它被子植物一样具有保守的结构。然而,近来有研究发现原含羞草亚科的一些种也存在叶绿体结构变异。近期,昆明植物所中国西南野生生物种质资源库伊廷双研究组与李德铢研究组和王红研究组合作,对原含羞草亚科三个族14属14种的叶绿体进行了深入的研究,结果表明:1)先前被报道的反转重复序列往小单拷贝区13
kb的扩张广泛存在印加族和狭义金合欢属,并且是这两个类群构成的分支的共衍征;2)一些种的IR在大单拷贝区一端经历了扩张和收缩,clpP基因发生了复制和内含子的丢失以及rps18基因发生了反转等;3)基因从单拷贝区转移到IR区后,替换速率显著下降。此外,还发现含羞草分支区段的序列分化有很大的差异,叶绿体基因组能有效解决含羞草分支的系统发育关系。该研究为进一步研究含羞草分支乃至整个豆科系统发育基因组学提供了重要基础。研究结果以Plastomes
of Mimosoideae: structural and size variation, sequence divergence, and
phylogenetic implication
为题发表在Tree Genetics &
Genomes
上。研究得到了国家科技部基础研究专项(No.
2013FY112600)、国家重大科学研究计划项目(2014CB954100)和云南省人才项目(No.
2011CI042)的资助。

402com永利1站,该研究对于揭示蔷薇科的起源与多样化具有重要的科学意义,对进一步研究该类群进化问题打下了坚实的基础,也为利用叶绿体系统发育基因组学解决其它困难植物类群的系统发育关系提供了又一个典型案例。该研究得到了国家重大科学研究计划项目(2014CB954100)、中科院中-非联合研究中心(SAJC201302)、科技基础性工作专项重点项目(2013FY112600)、中科院科技创新“交叉与合作团队”和云南省中青年学术技术带头人后备人才项目(2011CI042)的支持。研究结果以Diversification
of Rosaceae since the Late Cretaceous based on plastid phylogenomics

为题,在线发表于植物学学术期刊《新植物学家》(New Phytologist)。

该研究对于揭示蔷薇科的起源与多样化具有重要的科学意义,对进一步研究该类群进化问题打下了坚实的基础,也为利用叶绿体系统发育基因组学解决其它困难植物类群的系统发育关系提供了又一个典型案例。该研究得到了国家重大科学研究计划项目、中科院中

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  • 非联合研究中心、科技基础性工作专项重点项目、中科院科技创新
    “交叉与合作团队”和云南省中青年学术技术带头人后备人才项目的支持。研究结果以
    Diversification of Rosaceae since the Late Cretaceous based on plastid
    phylogenomics 为题,在线发表于植物学学术期刊《新植物学家》。

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