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種質資源庫團隊解析核心十字花科植物的系統發育關系

  十字花科(Brassicaceae或Cruciferae)植物約有351屬3977種,是一個全球分布的自然類群,包括常見綠葉類蔬菜、油料作物油菜、園藝觀賞植物香雪球等。該科有模式植物擬南芥,也是被子植物全基因組序列數據發表最多的科之一,為研究全基因組加倍、環境適應機制、基因功能進化等重要生物學問題提供了不可多得的機會。十字花科的分類學研究歷史悠久,近年來的分子系統學研究重新界定了十字花科族的劃分,并由較早系統的19個族逐步擴增至劃分為52個族。由于十字花科復雜的進化歷史,且已有研究取樣代表不足,核心十字花科的主要分支間以及族間的系統發育關系仍然存在不少問題。 

  中國科學院昆明植物研究所植物多樣性與基因組學團隊李德銖研究組依托中國西南野生生物種質資源庫,選取核心十字花科31族71屬199種以及4個未劃分至族的屬進行全面分析,以該科基部類群巖芥菜族中的三個代表種為外類群,共囊括222個葉綠體基因組數據以及235個核糖體(nr)DNA(其中106個葉綠體基因組數據以及112個nrDNA數據為該研究中新獲取)。在基于nrDNA序列進行的系統發育分析中,將核心十字花科劃分為4個分支,即clades a–d(圖1)。該研究還基于葉綠體全基因組數據以及蛋白編碼基因構建了兩種矩陣,移除比對存疑的區域或去除替換飽和的基因后,利用貝葉斯法以及最大似然法重建了核心十字花科的系統發育關系。研究結果支持將核心十字花科劃分為三個高支持率的分支:Lineage Ⅰ(LI),Lineage II(LII)和Lineage Ⅲ(LⅢ),其中LⅠ與LⅡ + LⅢ構成姐妹群(圖2和3)。該研究將備受爭議的LⅡ分支解析為單系分支,闡明了一些難以解析的深度分支的系統發育關系,確定雙盾薺族為該分支最早分化的類群,巖薺族與高河菜族+含生薺族互為姐妹類群(圖3)。LⅢ分支與基于nrDNA序列研究劃分的clade d分支表現出高度的一致性,兩組數據集的分析結果都支持離子芥族、花旗桿族以及鳥頭薺族為并系類群。此外,該研究綜合比較核質之間的系統發育關系,還發現了大量的沖突節點,進一步證實了十字花科經歷了復雜的進化歷史,為十字花科的起源與進化歷史提供了研究基礎。另一方面,該研究還發現葉綠體編碼基因rps16的丟失可能是南芥族和庭芥族的共衍征(圖2)。 

  研究成果以“Resolving robust phylogenetic relationships of core Brassicaceae using genome skimming data”為題在線發表于國際植物系統與進化領域重要期刊Journal of Systematics and Evolution(https://doi.org/10.1111/jse.12666)。該研究團隊劉良敏碩士為論文的第一作者,李德銖研究員為論文的通訊作者。該研究由中國科學院B類戰略性先導科技專項(XDB31010000)資助完成,整個研究過程得到了國家重大科技基礎設施中國西南野生生物種質資源庫采集、保藏、分子生物學實驗和分析平臺的大力支持。 

  文章鏈接 

 

圖1 核心十字花科基于nrDNA序列構建的貝葉斯樹,右側為得到支持的a – d分支 

 

圖2 基于葉綠體77個串聯編碼基因構建的最大似然法樹揭示核心十字花科3大分支 

 

圖3 核心十字花科基于葉綠體77個串聯編碼基因構建的最大似然法樹以及其它相關研究對十字花科主要分支劃分比較圖(族級水平)

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