标本系统发育基因组澄清列当科五齿萼属系统地位

2022-04-11 17:11:42 来源：今日健康网作者：分享：

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　　　　以上研究结果以“ Herbarium phylogenomics: Resolving the generic status of the enigmatic Pseudobartsia (Orobanchaceae) ”为题近期发表在 Journal of Systematics and Evolution 上

　　据不完全统计全球3100多家标本馆保存了3亿9千万份标本。这些标本不仅代表了过去的植物物种多样性，同时也蕴藏着植物历史的基因组和遗传多样性信息。尤其是一些标本采自400多年以前，以及大量的稀有的、特有的、濒危的物种标本，现在可能再也无法采到。随着新的DNA提取和测序技术发展，科学家们已经可以从这些古老的标本中提取出高质量的DNA，并利用短片段的二代测序技术进行全基因组测序，获得细胞器基因组和大部分核基因组数据，所以这些珍贵稀有标本中的基因信息是澄清一些分类、系统发育和演化上未解之谜的关键材料。

　　列当科五齿萼属（Pseudobartsia D.Y.Hong）是洪德元院士于1979年建立的新属，仅有五齿萼（Pseudobartsia yunnanensis D.Y.Hong）一种，且只有一号采于1940年模式标本（张英伯 004，云南嵩明）（图1-左）。1993年，陶德定先生提出无齿萼与具腺松蒿（Phtheirospermum glandulosum (Bentham) J.D.Hooker）为同一种。2013年，董丽娜等从五齿萼模式标本提取DNA，并扩增出ITS和3个叶绿体片段（另有3个片段PCR/测序未成功），系统发育分析初步确认了五齿萼与松蒿属类群关系较远。2015年，郁文彬等通过模式标本研究进一步确认五齿萼和具腺松蒿为同一种。值得一提的是具腺松蒿自1840年首次采到后（图1-中），直到179年后才再次在东喜马拉雅地区被印度学者Borah等（2020, Phytotaxa 451: 97-102）重新发现（图1-右）。因此，董丽娜等2013年从五齿萼模式标本提取出的DNA是我们现在可以用于进一步澄清五齿萼属系统地位唯一能用基因组材料。基于董丽娜等之前有3个片段的PCR/测序未成功，基本确定这份保存了70多年标本的DNA发生了降解。因此，版纳植物园研究团队和合作者，利用短片段的二代测序技术对五齿萼标本DNA和其他8种列当科硅胶材料提取的DNA进行全基因浅层测序，从头组装得到质体基因组数据，进而开展列当科系统发育基因组分析澄清五齿萼属的系统地位。

　　我们利用二代测序数据获得了五齿萼标本DNA的1670万条reads，借助GetOrganelle软件包从头组装得到了五齿萼完整的质体基因组序列（质体基因组覆盖度>400x）和核糖体ITS序列。与之前Sanger测序得到的ITS和3个质体片段比较，两种测序方法得到的序列一致性是99.98%（trnS-G）~ 100%（nrITS）。五齿萼的质体基因是保守的四分体结构（LSC-IRA-SSC-IRB）,没有发现基因丢失和假基因化。其他新组装得到质体全基因组中，滇川山萝花（Melampyrum klebelsbergianum Soó）有6个NDH基因和ccsA发生假基因化，并且还丢失了4个NDH基因（A, F, H和I）；马松蒿（Xizangia bartschioides (Handel-Mazzetti) C.Y.Wu & D.D.Tao）有7个NDH基因发生假基因化，且IR区的ycf1发生收缩；阴行草（Siphonostegia chinensis Bentham）得的rbcL-atpB-atpE-trnM (CAU) 序列发生倒位。

　　基于质体基因组特点，研究团队提出一套从原始数据开始的质体基因组组装、注释和系统发育分析流程（图2）。在系统发育分析部分，我们采用了两种分析方法，即超级矩阵基因树分析和溯祖法的物种树分析。超级矩阵基因树分析是将质体基因组作为一个整体“染色体”，默认所有的质体基因进化一致。溯祖法的物种树分析是考虑质体基因存在不同的进化式样，所以基因树的拓扑结构可能会不一致，因此整合所有基因树得到最为“可靠的”物种树。

　　超级矩阵基因树（图3-左）和溯祖法的物种树（图3-右）两种分析方法都表明列当科可分为九个大分支，其中五齿萼属与翅茎草属（Pterygiella Oliver）和细裂叶松蒿（Phtheirospermum tenuisectum Bureau & Franchet）等成姐妹关系，并于马松蒿属（Xizangia D.Y.Hong）形成了翅茎草属分支，而与松蒿属（Phtheirospermum Bunge ex Fischer & Meyer）模式种松蒿（Phtheirospermum japonicum (Thunberg) Kanitz）关系较远, 因此，系统发育分析支持将五齿萼属作为独立属。在列当科的九个分支中，七个分支已经建立族，翅茎草属分支和来江藤属（Brandisia Hook.f. & Thomson）分支作为两个独立分支提出建立为两个新族，即来江藤族Brandisieae Bing Liu & Su Liuex W.B. Yu & D.Z. Li, trib. nov和翅茎草族W.B.Yu& D.Z. Li, trib. nov.。

　　以上研究结果以“Herbarium phylogenomics: Resolving the generic status of the enigmatic Pseudobartsia (Orobanchaceae)”为题近期发表在Journal of Systematics and Evolution上。版纳植物园综合保护中心江南博士为论文第一作者，版纳植物园郁文彬研究员和昆明植物所李德铢研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目、中科院项目、云南省科技厅项目等经费的支持；实验工作和数据计算得到中国西南种质资源库和版纳植物园公共技术中心的支持。

　　图1. 五齿萼和具腺松蒿的模式标本和照片

　　图2. 新提出的质体基因组组装、注释和系统发育分析流程

　　图3. 基于质体基因组超级矩阵(左)和溯祖法(右)重建列当科植物系统发育关系