基于转录组数据揭示4种兜兰的全基因组复制历史

多倍化或全基因组复制(WGD)是物种多样性发生的重要驱动力。目前, 在蕨类、菊科以及豆科等类群丰富的植物中已多次报道全基因组复制事件, 而兰科(Orchidaceae)全基因组复制事件报道极少, 与其丰富的物种多样性存在矛盾, 推测与前期样本量小但类群跨度大的研究策略有关。选取染色体数目变异丰富且多样性较高的兜兰属(Paphiopedilum)为兰科植物代表类群, 基于共享数据库中4种兜兰的转录组数据, 采用同义替换率(K_s)、系统发生基因组学以及相对定年的方法分析兜兰属植物是否发生过全基因组复制事件。结果表明, 在4种兜兰中均检测到3次全基因组复制事件, 分别发生在110.17-119.77 Mya (WGD1)、60.95-74.19 Mya (WGD2)和38.19-45.85 Mya (WGD3)。其中, WGD3为新检测到的全基因组复制事件, 推测其发生在杓兰亚科(Cypripedioideae)与姐妹类群分化后, 兜兰属与姐妹类群分化之前。此外, 3次全基因组复制事件发生后优先保留的基因拷贝在功能上多与当时的环境胁迫响应相关, 推测全基因组复制提高了兜兰属植物祖先对当时极端环境变化的适应性。     

全基因组复制事件的绝对定年揭示莲座蕨属植物的迟滞演化

全基因组复制在维管植物的物种形成过程中普遍存在, 被认为是物种适应极端环境的重要机制之一。确定全基因组复制事件的发生时间对理解生物的适应性演化具有重要意义。然而, 在维管植物, 特别是蕨类植物中, 全基因组复制事件的发生时间及其演化意义仍知之甚少。本研究以蕨类植物重要基部类群——福建莲座蕨(Angiopteris fokiensis)为例, 基于不同采样点(广东、广西、上海)的3个转录组学数据, 利用同义替换率(Ks)和绝对定年的方法分析全基因组复制事件的发生时间和物种单位时间内的分子演化速率, 并对事件发生后保留下的基因进行基因功能注释和富集分析。结果表明, 福建莲座蕨在159‒165 Mya发生了一次全基因组复制事件, 该复制事件优先保留的基因主要与营养代谢、信号传导、适应调节和组织结构生长相关。另外, 福建莲座蕨的分子演化速率为1.66 × 10^‒9 (同义替换/位点/年), 是除裸子植物外, 陆生植物中已知演化速率最缓慢的类群。综合以上研究结果, 我们推测福建莲座蕨全基因组复制的发生可能与裸子植物繁盛、核心被子植物集中兴起或托阿尔阶灭绝事件有关。而复制后显著保留基因可能促进了莲座蕨属(Angiopteris)植物的遗传和形态创新, 从而帮助其快速适应环境的剧烈变化。进一步对该类群植物演化速率缓慢的原因进行讨论, 推测莲座蕨属缓慢的演化速率可能与其本身世代周期长、基因组较大及其生长环境稳定有关。本研究通过分析福建莲座蕨的全基因组复制历史和复制基因的保留模式, 推测全基因组复制事件对促进演化速率较慢的植物适应极端环境变化具有重要意义, 可为理解其他陆生植物的适应性演化提供更多启发。