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　　天南星科（包括浮萍類，但不包括菖蒲屬）約有144 屬3645種，是單子葉植物澤瀉目最為多樣化的類群之一，具有多樣的形態(tài)和生態(tài)習(xí)性。在分子系統(tǒng)學(xué)興起之前，菖蒲屬長期被置于天南星科，目前已被證實(shí)為單子葉植物最早分化的類群；浮萍類則常長期被處理成獨(dú)立的科。此前的研究表明天南星科的祖先棲息地與水生或濕地環(huán)境有關(guān)。該科90%的屬和95%的種分布在熱帶和亞熱帶地區(qū)，僅少數(shù)種分布在溫帶。其中，核心天南星科分支（True-Araceae）占所有屬的94%和所有種的98.7%,以熱帶雨林為多樣化中心，大多數(shù)物種具有陸生或附生習(xí)性。中國科學(xué)院昆明植物研究所在天南星科研究方面有著長期的積累，李恒研究員先后完成或牽頭完成了《中國植物志》第13卷第2分冊(cè)（天南星科和浮萍科）和《中國植物志（英文版）》（Flora of China）第23卷菖蒲科、天南星科和浮萍科的編研。2008年以后，葉綠體和線粒體基因數(shù)據(jù)被應(yīng)用于天南星科系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的研究中，但鮮有基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的研究的報(bào)道。此外，全基因組復(fù)制（WGD）在天南星科演化中的作用也不清楚。 

　　近日，中國科學(xué)院昆明植物研究所李德銖研究員領(lǐng)導(dǎo)的“植物多樣性與基因組學(xué)團(tuán)隊(duì)”與美國賓州州立大學(xué)馬紅教授團(tuán)隊(duì)及國內(nèi)多位研究者合作，依托中國西南野生生物種質(zhì)資源庫，收集了天南星科57屬81個(gè)代表種的樣品，利用轉(zhuǎn)錄組測序（RNA-Seq）和基因組淺層測序（Low-Depth Whole-Genome Sequencing），獲得了81個(gè)種的核基因組數(shù)據(jù)，并獲取了GenBank中已公開的外類群菖蒲科、薯蕷科、澤瀉科等9個(gè)物種的核基因組數(shù)據(jù)。通過分析，獲得了1081個(gè)直系同源的低拷貝核基因，據(jù)此構(gòu)建了天南星科的系統(tǒng)發(fā)育框架。根據(jù)次級(jí)標(biāo)定的分子鐘估算，推斷了天南星科的起源和分化時(shí)間，并分析了該科植物的多樣化模式。同時(shí)，該研究還推斷了該科的全基因組復(fù)制事件，探討這些事件在其物種多樣化中的作用。 

　　研究結(jié)果表明，在天南星科的八個(gè)亞科中，裸穗花亞科Gymnostachydoideae是天南星科最早分化出來的類群，隨后是奧昂蒂亞科Orontioideae，這兩個(gè)分支被稱為早期天南星科類群。此后，浮萍亞科Lemnoideae與核心天南星科分支發(fā)生分化。在核心天南星科分支中，剌芋亞科Lasioideae最早分化出來。石柑子亞科Pothoideae和龜背竹亞科Monsteroideae互為姐妹群，共同組成了兩性花攀爬分支(bisexual climbers clade)。美鐵芋亞科Zamioculcadoideae和天南星亞科Aroideae互為姐妹群，兩者組成了單性花分支(Unisexual-Flowered Clade)。兩性花攀爬分支和單性花分支互為姐妹群，共同構(gòu)成剌芋亞科的姐妹群?；?/span>Ks和基因樹方法，發(fā)現(xiàn)核心天南星科分支發(fā)生了一次共享的ψ(Psi)全基因組加倍（WGD）事件(～100.7-110.5 Ma，大約在海洋缺氧事件OAE1b和OAE 1d時(shí)期)（圖1）。然而，早期天南星科類群和浮萍亞科沒有共享這次WGD事件。并且，天南星科的凈多樣化最初表現(xiàn)為下降，然后隨著時(shí)間的推移而增加。研究發(fā)現(xiàn)隨著核心天南星科干群的分化，多樣化速率發(fā)生了轉(zhuǎn)移，并在ψ-WGD 后提高了凈多樣化率。通過功能富集分析，發(fā)現(xiàn)在核心天南星科分支中與陸地生活相關(guān)的基因，如各種綁定基因，受體和通道活性基因，DNA修復(fù)和細(xì)胞壓力響應(yīng)基因(如熱激蛋白、糖基水解酶、鋅指蛋白、果膠乙酰酯酶、細(xì)胞色素 P450和氧化應(yīng)激響應(yīng)激酶等)發(fā)生了擴(kuò)張。 

　　與早期天南星科類群和浮萍亞科對(duì)水生環(huán)境的適應(yīng)相比，WGD可能對(duì)核心天南星科分支在熱帶陸地環(huán)境的適應(yīng)進(jìn)化中發(fā)揮更重要的作用。該研究表明WGD不是直接促進(jìn)了天南星科的物種分化速率的增加，而是增強(qiáng)了真天南星科分支在新環(huán)境中關(guān)鍵性狀的形成和對(duì)生態(tài)位的適應(yīng)性。綜上所述，該研究結(jié)果為天南星科系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系、全基因組加倍事件、多樣化和適應(yīng)性進(jìn)化研究提供了新的見解。 

　　研究成果以Phylotranscriptomicanalyses reveal multiple whole-genome duplication events, the history of diversification and adaptations in the Araceae為題在線發(fā)表于植物學(xué)領(lǐng)域?qū)I(yè)期刊Annals of Botany上。趙磊博士為論文第一作者，李德銖研究員和伊廷雙研究員為論文通訊作者。昆明植物所楊瑩瑩博士(現(xiàn)北京大學(xué)博士后)、曲小健博士(現(xiàn)山東師范大學(xué)副教授)、李洪濤研究員，以及美國賓州州立大學(xué)馬紅教授等參與了該研究。 

　　研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)（XDB31000000），云南省科技人才培養(yǎng)計(jì)劃（2017HA014），國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)國際（地區(qū)）合作研究項(xiàng)目（31720103903），科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項(xiàng)（2019FY100900），中國科學(xué)院重大科技基礎(chǔ)設(shè)施開放研究項(xiàng)目（2017-LSFGBOWS-02）國家自然科學(xué)基金（31270274，31570333），云南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（202103AC100003），云南省基礎(chǔ)研究專項(xiàng)重大項(xiàng)目（202101BC070003）等支持。

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圖1 天南星科時(shí)間標(biāo)定的系統(tǒng)發(fā)育樹和WGD事件