《新植物学家》:喀斯特植物基因组研究取得进展

<正>近日,中科院华南植物园科学家在喀斯特植物基因组大小的进化及环境适应研究方面取得重要进展。相关研究在线发表于《新植物学家》杂志上。物种基因组大小的进化包括适应性和非适应性等多种机制,但不同机制在基因组大小进化过程中的重要性却存在争议。报春苣苔属是我国华南喀斯特地区物种多样性异常丰富的特有类群,又由于该属植物具有强烈的生境专化性,因而是一个研究基因组大小进化及环境适应的理想系统。     

梅花草属叶绿体基因组进化分析

叶绿体基因组序列变异和基因组成等特征可有效反映植物类群间的系统发育和进化关系。本研究利用Illumina高通量测序平台对梅花草属（Parnassia）及其近缘属5种植物的叶绿体基因组进行测序和组装,同时基于已发表的近缘种叶绿体基因组信息,对梅花草属叶绿体基因组结构特征、序列遗传变异和蛋白编码基因密码子偏好性比对分析。结果显示：梅花草属叶绿体基因组整体结构较为保守,均为四分体结构;梅花草多个基因出现假基因化,而本属其他物种叶绿体基因组成一致,均编码115个基因;与近缘属物种相比,本属所有物种均丢失rpl16基因的内含子;蛋白质编码基因的非同义/同义替代率比值较低,叶绿体基因可能经历纯化选择作用;密码子偏好性聚类结果与蛋白编码序列重建的系统发育关系结果一致。本研究表明选择压力可能在梅花草属叶绿体基因组蛋白编码基因进化过程中发挥作用,有助于进一步理解梅花草属植物的进化和适应机制。     

壳斗科植物叶绿体基因组结构及变异分析

利用生物信息学方法比较壳斗科6个属14个物种的叶绿体基因组间差异,以近缘物种榛为外类群构建系统进化树,揭示壳斗科叶绿体基因组的结构特征及变异规律。结果显示,14种壳斗科植物的叶绿体基因组均为双链环状分子结构,大小在160 kB左右,差异较小,最大仅差1 366 bp;基因顺序基本一致,而基因数量有所差异,infA、petG、rpl22、ycf1、ycf15等多个基因在部分物种中发生丢失;主要有32个蛋白编码基因长度发生变异,其原因是内含子的丢失、内含子或者编码区的长度改变,华南锥基因长度变异较大;4个IR边界相对保守,但锥栗、Castanea pumila、华南锥3个物种由于边界扩张导致rps19基因部分序列进入到IR区;以榛为外类群构建的系统发育树,各进化支支持率较高,分辨率较好。研究结果表明,叶绿体基因组可以用于分析关系较近与进化较快物种的系统发生问题,为系统发育和进化研究提供依据。     

北热带喀斯特森林木本植物花性状及其生境分异

植物花性状的多样化是植物长期进化及自然选择的结果, 不同植物种间花性状的变异与生境存在一定的相关性。北热带喀斯特季节性雨林具有生境异质性强、群落结构复杂、特有成分丰富等特点, 分析该森林植物性状的变化特征及其与生境的关联性, 有助于理解物种共存、协同进化过程和对生境的适应, 可为阐明喀斯特植物的生态适应性、理解生物多样性维持机理提供依据。本研究在弄岗15 ha森林动态监测样地木本植物开花相对集中的时间段进行, 记录并分析了21个物种花性状的变化。根据物种空间分布及其与生境的关联特性, 将21个物种分成偏好谷底、山坡、山顶的3种类型, 分析了这3种类型植物的花性状差异; 另外又根据花性状对21个物种进行聚类分析, 探讨了聚类分组结果和根据偏好生境分组结果的异同。结果表明: 花大小、花色鲜艳度均与物种优势度存在显著的负相关关系, 花小而不鲜艳的物种在群落中更有优势, 表现出更好的适应性; 不同偏好生境的植物花色明度有显著差异, 其他的花性状差异不显著; 聚类分组与根据偏好生境的分组有较好的一致性, 反映出物种的花性状变化响应了生境的变化。综上结果, 我们认为北热带喀斯特季节性雨林植物花性状与物种的优势度及生境条件有密切联系, 在该区域中生境对花性状的影响可能比传粉者更为深刻。     

拟南芥及其近缘种的适应性进化研究

植物如何适应环境变化从而生存繁衍,即适应性进化,是一个自达尔文时代起就备受关注的生物学核心科学问题.随着测序技术的快速发展,植物中各个主要类群均有物种完成了全基因组测序,并且每个物种里有许多样品完成了重测序.除了基因组外,不同维度的组学数据也得到解析,如转录组、甲基化组、小RNA组及蛋白质组等.海量的多维组学数据极大地促进了适应性进化的研究,基于多维组学数据来研究植物适应性进化的过程及机制已成为植物学研究的一个重要领域.十字花科的拟南芥是植物遗传学及分子生物学研究的模式物种,所有的研究结果及各种资源和数据使拟南芥及其近缘种也成为研究进化生物学问题的模式体系.因此,本文综述了围绕拟南芥及其近缘种近年来在植物适应性进化方面取得的重要进展,并在此基础上探讨该领域仍亟待解决的核心科学问题及未来的研究方向.     

多倍体植物混合倍性种群的建立机制研究进展

基因组多倍化是物种形成和进化的重要驱动力, 几乎所有植物都经历过至少一次基因组加倍。然而, 由于多倍体植株比二倍体表现出更高的死亡率, 多倍化机制被认为是植物进化的“死胡同”。一些植物物种具有自然混合倍性种群, 即同一物种具有不同倍性, 这为揭示多倍体的进化机制提供了最佳途径。本文从基因组加倍形成多倍体植物开始, 综述了混合倍性种群的形成、建立与维持的研究进展, 探讨了多倍体适应自然环境的种群分化而形成多倍体物种的机制。研究自然混合倍性种群的倍性组成、重复基因的功能分化以及多倍体的生态位分化, 有利于明确混合倍性自然种群的生态适应与维持机理, 以及多倍体植物的进化机制。     

国家自然科学基金委重大项目“禾本科植物的适应性辐射及其进化机制”结题综述

国家自然科学基金委重大项目"禾本科植物的适应性辐射及其进化机制"利用比较形态学、分子系统学、进化发育生物学、古生物学等多方面证据,通过多学科交叉的方法探讨了禾本科植物中出现的适应性辐射现象及其机制,在禾本科的系统发育关系以及适应性辐射的基本式样、生物和非生物环境因素在物种适应和分化以及物种快速形成中的作用、基因组大小及其结构变异以及突变、重复和调控模式变化对适应性辐射过程中关键性状(功能)的影响等方面取得了重要进展,在人才培养、国际合作和实验体系建立等方面极具特点。该项目的顺利完成为更好地阐明植物多样性形成的原因与机理奠定了良好的基础。     

稻属植物的基因组进化

水稻所在的稻属(Oryza)共有24个左右的物种。由于野生稻含有大量的优良农艺性状基因, 在水稻遗传学研究中日益受到重视。随着国际稻属基因组计划的开展, 越来越多的稻属基因组序列被测定, 稻属成为进行比较、功能和进化基因组学研究的模式系统。近期开展的一系列研究对稻属不同基因组区段以及全基因组序列的比较分析, 揭示了稻属在基因组大小、基因移动、多倍体进化、常染色质到异染色质的转化以及着丝粒区域的进化等方面的分子机制。转座子的活性以及转座子因非均等重组或非法重组而造成的删除, 对稻属基因组的扩增和收缩具有重要作用。DNA双链断裂修复介导的基因移动, 特别是非同源末端连接, 是稻属基因组非共线性基因形成的主要来源。稻属基因组从常染色质到异染色质的转换过程, 伴随着转座子的大量扩增、基因片段的区段性和串联重复以及从基因组其他位置不断捕获异染色质基因。对稻属不同物种间基因拷贝数、特异基因和重要农艺性状基因的进化等研究, 可揭示稻属不同物种间表型和适应性差异的分子基础, 将加速水稻的育种和改良。     

翼手目(蝙蝠)适应性进化分子机制的研究进展

作为哺乳动物第二大目的翼手目(Chiroptera;俗称蝙蝠)在飞行能力、回声定位与听觉系统、食性、冬眠、免疫防御等诸多方面表现出显著而独特的适应性进化,是研究生物对环境适应性进化分子机制的热点模型之一。文章综述了翼手目适应性进化分子机制的研究进展,特别是近年来在基因组水平上开展的相关研究,显示出更为复杂的分子进化模式和功能分化。随着越来越多的翼手目物种基因组数据的产生,将有望揭示新的进化机制,并为后续的功能实验奠定基础,促进人们对翼手目这一类群的认识和了解,同时也为系统认识动物适应性进化分子机制做出贡献。     

鼠尾草属不同物种的雄蕊杠杆机制对传粉者空间变异的进化响应

被子植物虫媒传粉植物的物种分化通常被认为是花性状响应传粉环境(传粉者)的空间变异而发生适应性分化的结果。通过对鼠尾草属(Salvia) 3个物种(共4个居群)传粉互作系统的比较, 探索了花性状对不同传粉环境的进化响应。结果表明: 各居群的传粉者组成、主要传粉者类型及其大小各不相同, 杠杆状雄蕊及相关花部性状大小在不同居群间具有显著差异; 各居群均表现出腹部传粉和背部传粉2种传粉模式, 但背部传粉仍然是最有效的传粉方式; 居群间杠杆状雄蕊长度与传粉者体长表现出极显著的正相关, 然而花冠长与传粉者体长表现出负相关; 花冠口高度和柱头高度与传粉者胸厚也表现出一定的协同变异。鼠尾草属植物的杠杆状雄蕊及相关花部性状在传粉系统的进化过程中表现出高度的可塑性, 表明雄蕊杠杆传粉机制对传粉环境的变异非常敏感, 在该属植物的物种分化过程中具有关键作用。     

植物边缘种群遗传多样性研究进展

边缘种群指地理分布边缘可检测到的一定数量的同种个体集合, 准确评价其遗传多样性对于理解第四纪冰期后气候变化对物种边缘扩展或收缩、遗传资源保护与利用以及物种形成等有重要意义。该文探讨了维持植物边缘种群遗传多样性的进化机制, 分析交配系统对物种边缘及其遗传多样性的影响, 比较了边缘与中心种群遗传多样性的差异及其形成的生态与进化过程, 并探讨了边缘种群遗传多样性与其所在的群落物种多样性的关系及理论基础。该文提出今后研究的重点是应用全基因组序列或转录组基因序列研究前缘-后缘种群之间或边缘-中心种群之间的适应性差异, 边缘种群与所在群落其他物种之间相互作用的分子机制, 深入解析边缘种群对环境的适应及边缘种群遗传多样性与群落物种多样性关系的生态与进化过程。     

植物边缘种群遗传多样性研究进展

边缘种群指地理分布边缘可检测到的一定数量的同种个体集合,准确评价其遗传多样性对于理解第四纪冰期后气候变化对物种边缘扩展或收缩、遗传资源保护与利用以及物种形成等有重要意义。该文探讨了维持植物边缘种群遗传多样性的进化机制,分析交配系统对物种边缘及其遗传多样性的影响,比较了边缘与中心种群遗传多样性的差异及其形成的生态与进化过程,并探讨了边缘种群遗传多样性与其所在的群落物种多样性的关系及理论基础。该文提出今后研究的重点是应用全基因组序列或转录组基因序列研究前缘-后缘种群之间或边缘-中心种群之间的适应性差异,边缘种群与所在群落其他物种之间相互作用的分子机制,深入解析边缘种群对环境的适应及边缘种群遗传多样性与群落物种多样性关系的生态与进化过程。     

血红蛋白与脊椎动物高海拔适应进化

高海拔环境是研究脊椎动物对极端环境适应进化过程的典型范例之一.血红蛋白在脊椎动物呼吸和氧化能量代谢中的核心作用决定了其无论在进化生物学还是高原医学研究领域都有着极其重要的意义.然而,如果不清楚研究对象的系统进化地位和机体本身的适应进化特点,就无法对各个水平的适应进化机制作出全面诠释.因此,对脊椎动物的低氧适应进化研究首先从机体生理需求的差异出发.此外,血红蛋白的功能适应性还表现在物种或种群间的空间分布差异导致不同程度的低氧需求.因此,本文从个体和系统发育水平评述了血红蛋白的分子进化及功能适应研究,深入比较了长期定居和短期移居物种间的适应机制区别,系统分析了鸟类及其他脊椎动物适应高海拔低氧环境的趋同和趋异进化特征.最后通过评价不同研究方法的优缺点,结合功能蛋白和物种进化相似的分子遗传规律,为未来高海拔低氧适应进化及高原医学研究提出一些新的思考.总之,本文支持功能验证在适应性进化相关基因研究中的必要性,强调整合分子、细胞和系统水平确定研究方案的重要性,以及系统发育背景和种群进化历史在研究对象选择中的重要意义.     

两栖爬行动物的高海拔适应性演化:现状与展望

高海拔极端环境具有低温、低氧、强紫外等特点,加之复杂的地质历史、独特的地形地貌等环境因素,为开展生物适应性演化研究提供了天然实验室.作为变温动物(poikilotherm)的代表类群,两栖爬行动物是高海拔生物区系中重要的组成部分,已知物种最高海拔分布可达5300 m.前期研究显示两栖爬行动物代表物种在生理、形态及生活史等方面进化出一系列表型特征,以适应高海拔环境.近年来,随着新一代测序技术的发展,从基因组水平探讨高海拔适应的分子机制成为可能,并取得了突破性进展,尤其是青藏高原地区代表性两栖爬行动物基因组的解析,标志着两栖爬行动物适应性演化研究进入了一个新的时代.本文总结分析了目前表型研究已取得的成果,重点分析和讨论了分子机制的研究进展.展望未来,以下几个方面研究将是发展的重点:表型组学(phenomics)的建立;表型组和基因组(genomics)的关联分析;遗传变异的功能分析及实验体系的建立.高海拔适应性研究已成为两栖爬行动物适应性演化研究领域的开拓性工作和范例.     

大黄属(蓼科)植物ndhF基因的适应性进化(英文)

大黄属(Rheum L.)是蓼科(Polygonaceae)中一个高度分化的大属,广泛分布在亚洲和欧洲的高山和沙漠地区,全世界约60种,其中在青藏高原及其邻近地区发现了约40种。该属种的高度分化曾被推测是第三纪末青藏高原的快速隆升以及第四纪气候的反复变化所引发的适应性辐射导致。为进一步了解大黄属植物辐射式物种分化的分子适应机制,该研究选取34个形态上多样化的大黄属物种,利用系统发育分析软件,在时间框架下采用位点模型和分支模型对大黄属的叶绿体ndhF基因进行了适应性进化分析。结果表明:大黄属植物的分子进化系统树呈现短而平行的辐射式分支式样,显示出典型的物种快速辐射多样化特征;用位点模型检验ndhF基因是否存在经受正向选择(ω1)时,在氨基酸水平上共鉴定出3个NDHF亚基的正选择位点(188H,465H,551L),对NDHF亚基的二级结构进行分析后发现编码的188H氨基酸位于α螺旋上。大黄属植物可能通过这些结构域的适应性进化,适应青藏高原的快速隆升以及第四纪气候的反复变化而引发的陆地生态系统改变。该研究结果可为今后对该属植物的实验分析提供首选位点。     

大黄属(蓼科) 植物ｎｄｈＦ 基因的适应性进化

大黄属(Rheum L.)是蓼科(Polygonaceae)中一个高度分化的大属,广泛分布在亚洲和欧洲的高山和沙漠地区,全世界约60种,其中在青藏高原及其邻近地区发现了约40种。该属种的高度分化曾被推测是第三纪末青藏高原的快速隆升以及第四纪气候的反复变化所引发的适应性辐射导致。为进一步了解大黄属植物辐射式物种分化的分子适应机制,该研究选取34个形态上多样化的大黄属物种,利用系统发育分析软件,在时间框架下采用位点模型和分支模型对大黄属的叶绿体ndhF基因进行了适应性进化分析。结果表明：大黄属植物的分子进化系统树呈现短而平行的辐射式分支式样,显示出典型的物种快速辐射多样化特征;用位点模型检验ndhF基因是否存在经受正向选择(ω>1)时,在氨基酸水平上共鉴定出3个NDHF亚基的正选择位点(188H,465H,551L),对NDHF亚基的二级结构进行分析后发现编码的188H氨基酸位于α螺旋上。大黄属植物可能通过这些结构域的适应性进化,适应青藏高原的快速隆升以及第四纪气候的反复变化而引发的陆地生态系统改变。该研究结果可为今后对该属植物的实验分析提供首选位点。     

不同生活型被子植物功能性状与基因组大小的关系

基因组大小在被子植物物种之间存在着巨大的变异, 但目前对不同生活型被子植物功能性状与基因组大小的关系缺乏统一的认识。本研究基于被子植物245科2,226属11,215个物种的基因组大小数据, 探讨了不同生活型物种种子重量、最大植株高度和叶片氮、磷含量4个功能性状与基因组大小之间的关系。结果表明, 被子植物最大植株高度和种子重量与基因组大小间的关系在草本和木本植物中存在显著差异。草本植物最大植株高度与基因组大小的关系不显著, 但种子重量与其呈极显著的正相关关系。木本植物最大植株高度与基因组大小显著负相关, 但种子重量与其关系不显著。木本植物叶片氮含量与基因组大小呈显著正相关, 但其他生活型植物的叶片氮、磷含量与基因组大小均无显著相关性。本研究表明被子植物功能性状与基因组大小的相关性在不同生活型间存在差异, 这为深入研究植物多种功能性状和植物生活型与基因组大小的权衡关系在植物演化和生态适应中的作用提供了重要依据。     

煤污病菌表皮生态位适应性进化机制研究进展

煤污病是一类外寄生性植物真菌病害。煤污病菌在果实表面形成黑色污斑和污点,导致外观品质降低影响销售,给果农造成严重经济损失。真菌的适应性进化分子机制一直是植物病原真菌生态学领域的研究前沿。煤污病菌在进化过程中为适应寄主表面营养贫瘠、干旱、紫外线照射等非生物胁迫,以及与表面其他微生物竞争生物胁迫等极端环境,进化出一系列独特机制,从而成功定殖于植物表皮。本文从基因组结构趋同进化、致病相关基因家族收缩与扩张和胁迫响应等方面,系统综述了煤污菌群对表皮生态位的适应性进化分子机制。     

基于叶绿体基因组解析半枫荷系统位置和进化

为明确国家二级保护植物半枫荷与近缘类群的系统发育关系,分析叶绿体基因的适应性进化。该研究利用22个物种的24条叶绿体基因组序列构建最大似然树和贝叶斯树,探讨半枫荷及其近缘类群的系统发育关系,并通过不同模型检测半枫荷与近缘类群的叶绿体编码基因的变异位点与选择压力间的关系。结果表明：(1)半枫荷叶绿体基因组具有133个基因,包括蛋白质编码基因88个(其中11个具有内含子)、tRNA基因37个、rRNA基因8个。(2)半枫荷及其近缘属蕈树属、枫香树属8个物种的叶绿体基因组在序列长度、基因数量及组成、GC含量等方面相对保守,反向重复区与小单拷贝区边界高度保守。小单拷贝区和大单拷贝区的变异程度较高,而反向重复区的变异程度较低。(3)半枫荷与蕈树属、枫香树属物种聚成蕈树科分支,并可划分为3个亚分支,亚分支间或物种间可能存在杂交或不完全谱系分选。(4)适应性进化结果显示,在不同模型下蕈树科分支的物种在ndhA等叶绿体基因受选择约束(纯化选择),位点模型也检测到10个基因的28个位点P大于0.99,这些编码基因变异可能与蕈树科植物适应性分化有关。该研究结果支持半枫荷隶属于蕈树科,蕈树科内物种的叶绿体基...     

利用流式细胞仪测定荚蒾属植物的基因组大小

荚蒾属 (Viburnum) 植物在园林中广泛用作观赏灌木,并且其具有优良园艺性状的杂交种在世界范围内越来越受欢迎。本研究利用流式细胞仪测定了14种荚蒾属植物的基因组大小。二倍体中基因组大小变化范围是255pg（陕西荚蒾）到426pg（琼花）。同时,琼花的核型也较不对称,这可能反应了它的育种历史。四倍体物种珊瑚树的基因组大小（762pg）是其他二倍体物种的两倍还多,这揭示了该属的多倍化在进化中可能并不遥远。该研究为荚蒾属细胞遗传学和分类学的深入研究奠定了基础,并为该属杂交育种提供有用的信息。