种质资源库团队通过质体基因组研究解析豆科植物深度系统发育关系
来源:中国西南野生生物种质资源库 作者:张荣 2020-02-19 浏览次数：
豆科（Leguminosae）是植物界第三大科，约有765属19500种，也是经济价值最大的科之一。该科植物形态和习性高度多样化，既有一年生小草本，也有草质藤本、灌木，更有木质藤本和森林群落的建群种。豆科植物为世界广布，约有88%的种能与根瘤菌共生固氮，在生态系统功能维持和可持续农业中占据重要地位。豆科植物被应用于人类生活的诸多方面，包括粮食、油料、饲料、木材、药品、纺织品、生物制品（如工业酶）、观赏和园艺植物等。有数十种豆科植物被驯化栽培，是重要的植物蛋白质来源，在某些地区甚至是人们仅有的蛋白质来源。近20年来，植物分子系统学取得了重要进展，其中国际豆科系统发育工作组2017年基于叶绿体matK序列数据，构建了一棵取样较全的豆科系统发育树，并结合形态证据，提出了6个亚科的新分类系统。不过，以往的分子系统学研究或基于少量基因片段，或取样代表性不足，尚未构建豆科高分辨率和支持率的系统发育框架，制约了这一重要类群及相关学科领域的研究。
中国科学院昆明植物研究所植物多样性与基因组学团队伊廷双和李德铢研究组立足国家重大科学工程中国西南野生生物种质资源库，选取代表豆科全部6个亚科和97%族，以及豆目其它3个科的187种（其中151种为新获取）的质体基因组数据进行全面分析。通过对编码区（PC）、非编码区（PN）、编码区和非编码区串联（PCN）3个基本数据集，加上23个派生数据集及6个系统发育信号分析后新建数据集的深入分析，获得了该科具有强统计支持且基本一致的系统树，并解析了云实亚科和蝶形花亚科的早期分支内一些长期存在争议的深度系统关系（图1）。此外，该研究通过豆科几个关键节点冲突的系统发育信号检测和量化（图2），以及基因树冲突分析，证实了其质体基因组存在冲突的系统发育信号。该研究提出，有些植物类群的质体基因组可能存在双亲遗传和复杂的进化模式，若将整个质体基因组作为独立的进化单元可能造成错误的系统发育关系推论，分析冲突位点的系统发育信号是质体系统发育基因组学研究中的必要环节。该研究重建的具强统计支持的系统发育框架为豆科植物的分类、进化及多样化研究奠定了较为坚实的基础。
研究成果以“Exploration of plastid phylogenomic conflict yields new insights into the deep relationships of Leguminosae”为题近日在线发表于国际生物系统学顶级期刊Systematic Biology (https://doi.org/10.1093/sysbio/syaa013)。此项成果是与加拿大、巴西、美国和澳大利亚等多国学者合作完成的，该研究团队张荣博士、王银环博士和金建军博士为论文的共同第一作者，伊廷双研究员和李德铢研究员为共同通讯作者。该研究得到了中国科学院B类战略性先导科技专项（XDB31010000），国家自然科学基金国际（地区）重点合作研究项目（31720103903），以及中国科学院重大科技基础设施开放研究项目（2017-LSF-GBOWS-02）的支持。
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图1 豆科基于质体编码和非编码区串联数据集（PCN）构建的最大似然树
图2 豆科基部分支三种拓扑结构的系统发育信号分布图