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广西植物研究所科技人员参与的葫芦科植物相关研究成果荣登Molecular Plant期刊封面

发布时间:2020-08-28 16:20:00    来源: 植物所     浏览量:

近日,广西植物研究所作为主要参与单位,广西植物研究所植物资源与植物地理学研究中心许为斌博士参与研究的基于系统发育转录组学揭示葫芦科植物全基因组加倍及其形态和分子创新的研究成果以“Phylotranscriptomics in Cucurbitaceae Reveal Multiple Whole Genome Duplications and Key Morphological and Molecular Innovations”为题发表于著名植物学期刊Molecular Plant上,并荣登该期刊20208月刊的封面(图1),以封面故事的形式被推介。

 

1.研究成果荣登Molecular Plant期刊封面(20208月)

葫芦科(Cucurbitaceae)隶属于核心真双子叶植物蔷薇类葫芦目(Cucurbitales),全世界近百属,1000余种,其中在全球已经广泛栽培利用和具有重要潜在经济价值的物种有55种,包括常见的蔬菜(黄瓜、冬瓜、南瓜、丝瓜、苦瓜等)和瓜果(西瓜、甜瓜等)。近年来,重要的经济作物黄瓜、西瓜、南瓜、苦瓜、罗汉果等已完成基因组测序,显著促进了葫芦科植物经济性状的相关研究。但是,比较基因组的研究发现葫芦科栽培物种在长期驯化过程中丢失了大批抗性基因,并且为了获得口味佳且抗逆性强的优良品种,需要稳定可靠的葫芦科进化关系为研究人员利用野生种质资源的优异基因对其栽培作物进行遗传改良提供理论参考。然而,由于目前葫芦科系统发育研究主要依赖叶绿体基因和有限核基因分子标记,科内主要分支、属间的关系尚不清晰,尤其是最早分支和近期分化分支之间关系还存在较大分歧,这些问题亟待解决。

本研究通过分析葫芦科53属(覆盖全科90%物种多样性)136个物种的转录组与基因组数据,筛选出多个低拷贝同源基因集,重建了葫芦科植物族水平可靠的系统发育关系(图2)。该研究结果高度支持葫芦科属以上主要分支的单系性,并厘清了这些分支间的进化关系,首次确定了盒子草族和锥形果族为最早分离的分支,解决了长久以来颇具争议的问题。基于高度支持的葫芦科进化关系与化石年代信息,分子钟分析揭示了葫芦科最近共同祖先起源于白垩纪晚期(约8千万年前);基于转录组数据分析还发现葫芦科进化历史经历了至少4次全基因组加倍(WGD)事件(图3),这或许是促使葫芦科植物起源后快速分化的重要原因之一。葫芦科经历WGD事件后演化出包含近80%现存物种的分支,而且历史环境正好处于始新世中期短暂的最适气候的阶段,为物种多样化提供了适宜的生境条件。通过葫芦科关键形态性状的演化分析表明,该科植物从分歧卷须到不分歧卷须、木质茎到草质茎、干果到肉质瓠果、花瓣颜色变化等一系列性状的状态转变(图4),可能促使它们迅速适应新环境并占领更多的生态位。草质茎相对于木质茎其生长速度快,结合不分歧的卷须有利于植株迅速向上攀爬,花瓣颜色的变化吸引不同的传粉者,鲜艳的瓠果或浆果吸引动物取食和采集,促进了种子的扩散,整体性状的转变显著提高了葫芦科植物对环境的适应力,而且广泛分布于不同环境下的物种为其分化提供了良好的基石。简言之,该研究证明WGD作为内在因素为形态性状变异提供丰富的遗传物质基础,促使一系列新的关键形态性状的衍生,而始新世中期适宜的气候条件作为外在因素,协同促进了葫芦科物种的多样化进程,最终演化成为一个成功的被子植物类群。

 

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.molp.2020.05.011 


2. 基于转录组学的葫芦科系统发育研究


3. 葫芦科的多样化速率的转变和全基因组加倍


4. 葫芦科植物果实和卷须的演化历史