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科学家在蔷薇科叶绿体系统发育基因组研究中取得进展

2017.2.22

　　系统发育基因组学是基因组学和系统发育生物学融合产生的一个交叉学科，主要用基因组水平的大规模分子数据解析生物之间的系统发育关系，并利用系统发育原理研究基因组进化机制。基因组大量的数据信息具有“缓冲”作用，能减少系统发育重建中的随机误差，使得引起基因树冲突的各种生物学因素被逐一分析，是当前重建生命之树，解析困难系统发育关系的最有效途径。由于大小适中、核苷酸置换率适度、容易比对、不存在旁系同源问题等优点，叶绿体基因组已经被广泛应用于解析困难类群的系统发育关系。蔷薇科包括约90属3000种，全球广布，具有多种世界最具经济价值的水果，如苹果、梨、桃、李、杏、樱桃、山楂，以及著名花卉如玫瑰、月季、梅花。植物学家对蔷薇科开展了大量分类和系统关系的研究，但由于频繁的杂交、孤雌生殖和可能的快速辐射分化等因素的影响，该科的亚科、族、属分类范畴仍存在很大争议，主要分支间系统发育关系难以解析，是系统发育重建最困难的植物类群之一。

　　中国科学院昆明植物研究所中国西南野生生物种质资源库伊廷双和李德铢研究组多年致力于蔷薇目的系统发育和进化研究，相继对蔷薇目（Zhang et al. 2011，Molecular Phylogenetics and Evolution）、大麻科（Yang et al. 2013，Taxon； Yang et al. 2017, PLoS One）和荨麻科（Wu et al. 2013，Molecular Phylogenetics and Evolution）等类群开展分子系统学研究。通过与英国皇家植物园邱园Mark W. Chase、佛罗里达大学教授Douglas E. Soltis合作，依托中国西南野生种质资源库分子生物学实验中心的设施和平台，利用叶绿体系统基因组学的方法重建了蔷薇科79属132种的系统发育树，成功解析了蔷薇科各亚科、族和属间系统发育关系。基于这棵高支持率、高分辨率的系统发育树，估算了蔷薇科及其主要分支的起源和分化时间，推断了古气候对蔷薇科主要分支多样化的影响。主要结论包括：1）在叶绿体系统发育基因组学研究中，序列的比对质量和模型选择对于正确解析类群间系统发育关系至关重要；2）蔷薇科亚科、族和大部分属间系统发育关系获得解析并被很好支持；3）蔷薇科起源于晚白垩纪，之后经历了多次的多样化速率的变化；4）亚科和族的快速多样化发生在晚白垩纪的温暖湿润的环境中，而从早渐新世以来属的多样化发生在干冷的环境中。

　　该研究对于揭示蔷薇科的起源与多样化具有重要的科学意义，对进一步研究该类群进化问题打下了坚实的基础，也为利用叶绿体系统发育基因组学解决其它困难植物类群的系统发育关系提供了又一个典型案例。该研究得到了国家重大科学研究计划项目（2014CB954100）、中科院中-非联合研究中心（SAJC201302）、科技基础性工作专项重点项目（2013FY112600）、中科院科技创新“交叉与合作团队”（31129001）和云南省中青年学术技术带头人后备人才项目（2011CI042）的支持。研究结果以Diversification of Rosaceae since the Late Cretaceous based on plastid phylogenomics 为题，在线发表于植物学学术期刊《新植物学家》（New Phytologist）。

基因组系统发育

昆明植物研究所

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科学家在蔷薇科叶绿体系统发育基因组研究中取得进展

周锦帆