裸子植物物种多样化和表型进化研究取得重要进展
来源: 作者: 2021-07-20 浏览次数：
确定生命之树中物种多样性和表型差异产生的主要的内部和外部驱动力是进化生物学研究的主要挑战之一。对于绿色植物，全基因组复制（WGD，或多倍化）是重要的进化驱动力，但仍不清楚WGD是否能与响应气候变化和新生态机遇的适应性辐射演化等进化过程一起塑造宏观进化模式。现存的裸子植物支系明显经历了古辐射演化、大量灭绝事件、超常的形态停滞和近期多样化等复杂历史，但裸子植物进化主要阶段的相关性和原因在很大程度上仍不清楚。
依托中国西南野生生物种质资源库，中国科学院昆明植物研究所伊廷双和李德铢团队与美国密西根大学Stephen. A. Smith，佛罗里达大学Pamela A. Soltis和 Douglas E. Soltis，以及宾夕法尼亚州立大学Hong Ma团队合作开展了裸子植物多样性宏进化模式的研究。整合新测序的转录组数据和多类型数据，该研究检验了裸子植物包括基因和基因组复制，基因组大小和染色体数目在的基因组进化与表型创新、物种多样化和气候生态位的关系。研究发现，伴随着现存裸子植物主要支系的起源，发生了WGD和基因组大小变化，裸子植物可能存在一次共有的WGD事件。此外，该研究显示了基因复制峰与表型创新峰共发生，第一次在宏观尺度上证明了基因复制和表型创新的直接关系。
该研究还发现，自被子植物崛起以来的裸子植物大多数多样化变化与WGD事件不相关，而与裸子植物加快占领较干冷气候环境相关。这表明，生态机遇特别是晚新生代的生态机遇，以及生境异质性驱动了现存裸子植物物种多样性的复兴。本研究深刻理解了裸子植物多样性和表型进化的过程，对探讨植物微观和宏观进化的主要驱动力具有广泛而深刻的启示意义。
2021年7月19日，该研究成果以“Gene duplications and phylogenomic conflict underlie major pulses of phenotypic evolution in gymnosperms”为题在国际植物学顶级期刊Nature Plants上在线发表。中国科学院昆明植物研究所Gregory W. Stull博士和山东师范大学生命科学学院曲小健博士为该论文的共同第一作者，李德铢研究员、Stephen. A. Smith教授和伊廷双研究员为共同通讯作者。该研究得到中国科学院昆明研究所植物园，美国加州大学伯克利分校植物园、哈佛大学阿诺德植物园、密苏里植物园，英国爱丁堡皇家植物园和皇家植物园邱园在材料采集方面给予的帮助。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（No. XDB31000000）、中国科学院重大科技基础设施开放研究项目（No.2017-LSF-GBOWS-02）、国家自然科学基金国际（地区）合作研究项目（No.31720103903）、云南省云岭高端外国专家项目（YNQR-GDWG-2017-002，YNQR-GDWG-2018-012）、山东省自然科学基金（ZR2020QC022）、中国科学院院长国际奖学金计划（No.2020PB0009）以及中国博士后科学基金国际博士后交流项目的支持。
图1 基于转录组数据的裸子植物的物种树，显示基因复制、染色体数目变化和基因组加倍与物种多样性转变的关系
图2 裸子植物主要支系同时发生的基因复制峰和表型创新峰
图3 裸子植物同时发生的基因树冲突峰和表型进化速率峰
图4 裸子植物主要支系生态位和物种多样化的共进化