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武漢植物園在大戟屬質體系統發育基因組學研究中取得進展

  大戟屬(Euphorbia)隸屬于大戟科,為植物界最大的屬之一,包含約2000種,幾乎遍布全球,生境類型十分多樣。大戟屬的形態特征高度趨同(非同源相似),是系統分類研究最為困難的類群之一。自林奈1753年建立該屬以來,大戟屬的“拆分”或“合并”一直處于爭論之中。近些年的分子系統學研究支持“合并”,即廣義的大戟屬,共包含四個亞屬:乳漿大戟亞屬(subg. Esula)、subg. Athymalus、地錦草亞屬(sung. Chamaesyce)和大戟亞屬(subg. Euphorbia)。然而,目前的系統發育分析依據的均是少數DNA片段,提供的系統發育信號有限,大戟屬內的系統發育框架還有待完善。利用基因組學手段解決該屬的系統發育的研究卻鮮有報道。 

  在中國科學院武漢植物園王青鋒研究員和英國皇家植物園邱園Olwen M. Grace研究員的共同指導下,博士研究生魏能等人對大戟屬四個亞屬全面的代表性取樣,利用質體基因組數據重建了該屬系統發育關系,并探討了其基因組結構的演化。分析發現,傳統界定的屬在系統發育樹上均嵌入到狹義大戟屬,廣義的大戟屬的單系得到很好的支持,從而支持大戟屬的“合并”。另外,四大亞屬的姐妹群關系也得到了進一步的確認。質體基因組結構在光合自養類群中,特別是在較低分類階元(如族、屬和種)之中,一般被認為十分保守。出乎意料的是,大戟屬質體基因組長度變異幅度達到了42 kb,伴隨著反向重復區(inverted repeat region)的大尺度擴張(超過15 kb)和收縮(幾乎丟失)。同時,該研究對質體基因組結構上的基因倒位、復制、丟失/假基因化等現象進行了討論,并從編碼區和基因間區中篩選出的一批系統發育信號較強的分子標記,可被用于后續的大戟屬DNA條形碼以及系統發育研究。 

  該研究利用質體基因組學方法進一步厘清了大戟屬屬內的系統發育關系,為該屬植物的分類、演化和保育奠定了基礎。同時,該研究擴展了我們對于光合自養植物中質體基因組結構十分保守的認識,同時暗示大戟屬可能經歷了復雜的質體基因組演化歷史。另外,大戟屬是唯一同時具有光合作用三大碳代謝途徑(C3、C4和CAM)的屬,為揭示光合作用固碳的演化提供了絕佳的系統發育體系。基于此,該研究為理解光合作用相關的質體基因和光合固碳途徑之間的聯系提供了參考和啟示。 

  該研究由中國科學院武漢植物園,英國皇家植物園邱園,肯尼亞國家博物館、上海辰山植物園和中國科學院昆明植物所共同完成,得到了中-非聯合研究中心項目(SAJC202101)、國家自然科學基金項目(32070231)、中國科學院國際合作項目(151853KYSB20190027)和中國科學院大學公派聯合培養博士生獎學金的支持。研究結果以“Plastome evolution in the hyperdiverse genus Euphorbia (Euphorbiaceae) using phylogenomic and comparative analyses: large-scale expansion and contraction of the inverted repeat region”為題發表在最新一期的Frontiers in Plant Science上。 

  文章鏈接:https://doi.org/10.3389/fpls.2021.712064 

圖1. 基于76個質體編碼區重建的大戟屬系統發育樹(展示基因的丟失/假基因化) 

圖2. 大戟屬質體基因組長度的比較(展示反向重復區(IRA和IRB)的擴張和收縮) 

圖3. 從編碼區中篩選出的系統發育信號排名前十的分子標記

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