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蔷薇科系统发育与果实演化研究中取得重要进展-齐一生物

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国际进化生物学顶级期刊《Molecular Biology and Evolution》以封面文章形式刊登马红教授团队的研究成果:Evolution of Rosaceae Fruit Types Based on Nuclear Phylogeny in the Context of Geological Times and Genome Duplication。该研究重建了蔷薇科的系统发育关系,提出了蔷薇科不同类型果实的演化历史,并揭示了基因组加倍与果实演化之间的联系。《Molecular Biology and Evolution》的编辑撰文 The Fruits of Life: Rose Family Study Leads to New Understanding of Fruit Diversity across Geological Eras and Climates,被《Science》主编的网站 EurekAlert-AAAS 评论并推荐。

被子植物的果实形态种类极其丰富,包括多种干果,如颖果(水稻、小麦)、瘦果(向日葵)、角果(油菜)、荚果(豆类)等,和各种肉果,如浆果(番茄、葡萄)、核果(枣)、瓠果(西瓜、黄瓜)、柑果(柑橘类)等等。在被子植物各个科中,蔷薇科的果实种类最多,有 8 种不同类型的果实,例如肉质的梨果(苹果、梨、山楂和枇杷)与核果(桃、李、杏和樱桃),还有干果如瘦果(如委陵菜),此外还有一些复杂的果实类型,如聚合小核果(如树莓、黑莓)、聚合瘦果(如草莓、月季和金樱子)以及蓇葖果(如绣线菊)。蔷薇科果实类型多样,在研究果实演化方面具有显著的优势。

蔷薇科是被子植物十大科之一,包括约 100 个属和 3000 个种。常见的果树和观赏植物, 如桃、李、梨、苹果、草莓、玫瑰、梅花、绣线菊等都属于蔷薇科。该科包括草本、灌木和乔木,为鸟类、哺乳类、昆虫等动物提供了食物与栖息环境,是陆地生态系统的重要组成部分。近年来,桃、李、苹果、梨、草莓等已完成基因组测序,显著促进该科的相关研究。许多蔷薇科的研究,尤其是研究果实演化,都需要基于清晰的系统发育关系。然而,由于目前的系统发育研究主要基于有限的形态学信息与少数细胞器基因,科内众多族、属之间的关系尚不清晰,亟待解决。

马红教授课题组利用二代测序技术,新获得了 123 个物种的转录组序列,其中包括 115 个蔷薇科物种,覆盖了蔷薇科所有的族与绝大部分的多种属,代表了该科超过 98% 的物种。经过一系列生物信息学分析,筛选出多个低拷贝直系同源基因的基因集,获得了蔷薇科各亚科、族、属之间高度支持的系统发育关系,与之前研究提出的系统发育关系具有一致性,并解决了之前不清晰的地方。

基于高支持的蔷薇科系统发育树,后续研究进行了果实演化的祖征分析,提出蔷薇科祖先的果实很可能是多心皮的干果,科内不同类型的肉质果实(如苹果、桃、草莓、树莓)有多次独立起源,在演化历史中具有心皮数量减少、心皮联合、子房下陷的趋势。分子钟分析结果表明,蔷薇科起源于白垩纪早期,大约一亿二千万年前。进一步的基因组加倍分析显示,蔷薇科经历了多次全基因组重复,所产生的新基因可能进化出与果实发育相关的新功能。特别注意的是,苹果族和桃族的祖先在早期均经历了至少一次全基因组重复,可能促进了这两个族的物种多样性。蔷薇科的肉质果实被动物食用和采集,从而增加种子的扩散,进一步提高了相关类群的生物多样性。

复旦大学 2013 级本科生项耶子和我校青年副研究员黄建勋博士为此文的共同第一作者,遗传工程国家重点实验室、遗传与发育协同创新中心的马红教授与黄冈师范学院生命科学学院的项俊教授为文章的共同通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金委、复旦大学遗传工程国家重点实验室、复旦大学本科生望道项目、生命科学学院本科生拔尖人才项目的共同资助。

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