薔薇類(rosids)和菊類(asterids)是真雙子葉植物的兩個主干分支,其中薔薇類包括17個目,140個科,約70,000個物種,呈現了豐富的形態多樣性,并具有重要的經濟價值。近十幾年以來,對葉綠體基因序列的分析支持薔薇類分為豆類分支和錦葵類分支。其中,豆類分支包括固氮支系(由葫蘆目Cucurbitales、殼斗目Fagales、豆目Fabales和薔薇目Rosales組成),COM支系(衛矛目Celastrales、酢漿草目Oxalidales和金虎尾目Malpighiales),以及蒺藜目Zygophyllales;錦葵類分支包括十字花目Brassicales、錦葵目Malvales、無患子目Sapindales、燧體木目Crossosomatales、美洲苦木目Picramniales、十齒花目Huerteales、牻牛兒苗目Geraniales和桃金娘目Myrtales等8個目。然而,葉綠體基因是單親遺傳。因此,利用雙親遺傳的核基因來探求這些祖傳系的進化關系是非常必要的。
近日,中國科學院昆明植物研究所郭振華研究組、李德銖研究組、伊廷雙研究組與復旦大學教授馬紅以及美國國立博物館史密森研究院博士張寧合作,利用36個全基因組和27個轉錄組(其中一個為新測序)的核基因序列對薔薇類的系統發育關系進行了深入研究。在63個物種中確定了891個單拷貝或低拷貝的直系同源基因,然后利用串聯方法和溯祖方法(concatenation and coalescence methods)推斷了系統發育關系。兩種方法均獲得了相似的拓撲,但蒺藜目的系統位置出現沖突。通過深入的分析,研究人員發現缺失數據(missing data)和基因樹異質性(gene tree heterogeneity)可能是沖突的潛在原因,特別是兩者都具有非常高的比率時,串聯方法可能得到錯誤的拓撲結構。
該研究利用大規模的核基因數據對薔薇類的系統發育關系提供了新的認識,發現牻牛兒苗目和桃金娘目構成的一支是薔薇類其余類群的姐妹群;蒺藜目位于擴展后的錦葵類基部;COM支系不是單系,這三個目屬于錦葵類而不是固氮支系的姐妹群;豆類分支僅包括固氮支系,薔薇目和葫蘆目構成的一支是豆目和殼斗目構成的一支的姐妹群。同時,研究表明,溯祖方法能夠較好地應對高的缺失數據和基因樹異質性的問題,能更有效地解析薔薇類的系統發育關系。
上述研究結果以Phylogenomic Analyses of Large-scale Nuclear Genes Provide New Insights into the Evolutionary Relationships within the Rosids 為題發表于進化生物學期刊Molecular Phylogenetics and Evolution。博士研究生趙磊為該論文第一作者。該研究得到國家重點基礎研究發展計劃(2014CB954100)和中科院昆明植物所重點部署項目(No. 2014KIB02)的資助。
薔薇類新的系統發育關系圖