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中國科學(xué)院昆明植物研究所
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科研進展

昆明植物所在山茶屬植物系統(tǒng)發(fā)育和基因樹沖突研究中取得新進展

文章來源:中國科學(xué)院東亞植物多樣性與生物地理學(xué)重點實驗室  |  發(fā)布時間:2023-09-14  |  作者:張瓊,余香琴  |  瀏覽次數(shù):  |  【打印】 【關(guān)閉

 

  隨著越來越多的基因序列被運用于系統(tǒng)發(fā)育重建中,基因樹沖突已成為分子系統(tǒng)發(fā)育研究中日益突出的問題,同時也是進化生物學(xué)家面臨的重要挑戰(zhàn)?;驑錄_突主要是指物種在不同DNA序列所構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹上,系統(tǒng)學(xué)位置的不一致。已有的研究表明,大量生物類群均存在基因樹沖突現(xiàn)象,如植物類群的殼斗科(Fagaceae)、薔薇科(Rosaceae)、莧科(Amaranthaceae s.l)以及動物類群的兩棲動物(Amphibian)和爬行動物(Gekkonidae)中?;驑錄_突往往會模糊物種間真實的系統(tǒng)演化關(guān)系,因此,了解造成基因樹沖突的原因,有助于增進我們對生物類群進化歷史的理解。

  山茶屬(Camellia)隸屬于杜鵑花目山茶科(Theaceae),為山茶科的模式屬,同時也是山茶科中最大的屬,主要分布在東亞及東南亞地區(qū)。山茶屬含有眾多重要經(jīng)濟林木樹種,如茶(C. sinensis)是天然保健飲料之一茶葉的原材料,油茶(C. oleifera)被稱為世界四大木本油料植物之一,山茶(C. japonica)則是著名的觀賞花卉。由于該屬物種形態(tài)變異較大,目前,基于傳統(tǒng)的形態(tài)特征所構(gòu)建的山茶屬分類系統(tǒng),即Sealy系統(tǒng)(82種)、張宏達系統(tǒng)(280種)以及閔天祿系統(tǒng)(119種)之間存在很大差異。此外,以往研究中利用少數(shù)片段以及完整的葉綠體基因組數(shù)據(jù)均未對山茶屬內(nèi)部系統(tǒng)演化關(guān)系得以很好的澄清。中國科學(xué)院昆明植物研究所“東亞特征植物分類與系統(tǒng)演化”專題攻關(guān)組前期構(gòu)建山茶科核基因系統(tǒng)發(fā)育框架時發(fā)現(xiàn),基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)得到的直系同源低拷貝核基因?qū)τ谏讲鑼傥锓N的系統(tǒng)演化關(guān)系具有較好的解析度(Zhang et al., 2022, Annals of Botany, 2022年度ESI高被引論文)。因此,進一步基于大量核基因數(shù)據(jù)對山茶屬物種開展系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)研究,對該屬物種演化關(guān)系的理解及資源的開發(fā)利用具有重要科學(xué)意義。 

  近期,專題組與云南大學(xué)、廣西林業(yè)科學(xué)研究院、美國密西西比州立大學(xué)等多名學(xué)者合作,基于屬下次級分類單位最多的張宏達系統(tǒng)取樣,共獲得山茶屬植物5560個個體的轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)組裝、直系同源基因篩選等分析流程,最終得到了1,6171,410,067 bp)個直系同源低拷貝核基因矩陣,探討了山茶屬物種基因樹沖突的程度以及造成該沖突的可能原因。研究結(jié)果表明,基于1,617直系同源低拷貝核基因構(gòu)建的山茶屬系統(tǒng)發(fā)育框架不支持按照傳統(tǒng)形態(tài)特征提出的分類等級,如亞屬和組均不為單系,即分子證據(jù)與按照傳統(tǒng)形態(tài)分類提出的分類等級存在不一致,該屬深入的整合分類學(xué)研究有待開展。另一方面,利用多種檢測基因樹沖突現(xiàn)象的分析方法,如Phyparts分析、Quartet SamplingQS以及多歧分支檢測(Polytomy test)分析等,研究人員發(fā)現(xiàn)山茶屬存在廣泛的基因樹沖突現(xiàn)象。已有的研究表明,山茶屬植物可能在中新世發(fā)生了快速物種分化,從而形成現(xiàn)今的物種多樣性,因此研究人員推測伴隨物種快速分化過程的不完全譜系分選(incomplete lineage sorting, ILS)很可能是造成山茶屬基因樹沖突的重要原因之一。然而,雜交在山茶屬基因樹沖突及核質(zhì)沖突中的作用仍需在未來的研究中進行深入探討。 

  以上成果于近日以Phylotranscriptomic analyses reveal deep gene tree discordance in Camellia (Theaceae)為題發(fā)表在進化生物學(xué)領(lǐng)域主流期刊Molecular Phylogenetics and Evolution上。中國科學(xué)院昆明植物研究所已畢業(yè)博士生張瓊為論文第一作者,余香琴副研究員、楊世雄副研究員和云南大學(xué)趙建立副研究員為論文共同通訊作者。中國科學(xué)院昆明植物研究所彭華研究員、莫智瓊博士、廣西林業(yè)科學(xué)研究院葉航博士、張照遠博士以及美國密西西比州立大學(xué)Ryan A. Folk博士等對該研究做出了重要貢獻。 

  研究得到了國家自然科學(xué)基金(32070369,32270224)、中國科學(xué)院“青年創(chuàng)新促進會”會員(2021393、廣西特色經(jīng)濟林培育與利用重點實驗室開放課題(JB-22-01-01)以及廣西科技計劃項目(Gui ke AB21076012等項目的資助。同時,工作受到中國西南野生生物種質(zhì)資源庫保藏中心和分子生物學(xué)實驗平臺、中國科學(xué)院昆明植物研究所標本館(KUN)、植物園等部門的大力協(xié)助與支持。 

  文章鏈接

 

1 基于1617直系同源低拷貝核基因得到的山茶屬Astral物種樹,同時整合基因樹一致性與沖突結(jié)果(系統(tǒng)樹上節(jié)點處餅圖) 

 

2 基于Astral物種樹推斷的山茶屬多歧分支檢測結(jié)果,紅色五角星表示潛在的多歧分支 

(責(zé)任編輯:李雪)

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