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[優(yōu)秀文章推薦]中國(guó)學(xué)者通過(guò)大規(guī)模轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)重構(gòu)蕨類植物生命之樹 已有1人參與
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蕨類植物被稱為地球自然史上的奇跡，一經(jīng)出現(xiàn)，蒼茫大地即現(xiàn)綠色生機(jī)。3.6億年來(lái)蕨類植物歷經(jīng)地質(zhì)史上數(shù)次生物滅絕與興盛一直延續(xù)至今，譜系關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。現(xiàn)存種子植物就是蕨類植物的姊妹群，但與種子植物不同的是，蕨類植物以孢子繁殖，孢子著生于孢子囊（等同于種子植物的花粉囊），這個(gè)被Science雜志稱為無(wú)弦之弓的神秘生殖器官，可以借助于氣壓和水勢(shì)的變化將孢子彈射出去。近年來(lái)科學(xué)界對(duì)這群最古老的陸生維管植物演化歷史表現(xiàn)出極大的興趣，特別是分子生物學(xué)興起以來(lái)，科學(xué)家用不同的基因片段嘗試構(gòu)建蕨類植物的親緣關(guān)系，然而一直得不到穩(wěn)健的支持致使難以得到合理的形態(tài)解釋。 為了攻克這一世界難題，2013年始，上海辰山植物園（中國(guó)科學(xué)院上海辰山植物科學(xué)研究中心）蕨類植物多樣性與進(jìn)化研究組聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院植物研究所的研究人員開展了大規(guī)模的蕨類植物轉(zhuǎn)錄組測(cè)序。歷經(jīng)4年采樣、測(cè)序、分析了涉及全世界蕨類植物PPG系統(tǒng)的11目38科69種（其中包括了大量隸屬秦仁昌系統(tǒng)的其他科別類群）的高質(zhì)量轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，考慮到蕨類植物多大基因組、多古多倍體的遺傳學(xué)特征，研究人員擯棄了傳統(tǒng)的低拷貝基因建樹方法，而直接采用大規(guī)模的直系同源基因構(gòu)建系統(tǒng)樹的策略，分別使用1334個(gè)（物種覆蓋度90%）和2391個(gè)（物種覆蓋度75%）直系同源基因構(gòu)建兩個(gè)超級(jí)基因序列矩陣，最后得到兩個(gè)完全一致、高支持率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系。 同時(shí)，研究人員還采用多種方法對(duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了相互驗(yàn)證，采用了并聯(lián)法(coalescent- based)和串聯(lián)法(concatenation-based)、覆蓋度75％和90%物種基因覆蓋度對(duì)核苷酸序列和氨基酸序列等多種組合方法進(jìn)行了相互驗(yàn)證。結(jié)果顯示，由相同方法和序列類型、不同覆蓋度序列得到完全一致的高支持率的物種樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；除了6個(gè)物種的位置有差異以外，四個(gè)不同方法、序列類型組合得到的拓樸結(jié)構(gòu)基本一致。蕨類植物譜系演化的主干結(jié)構(gòu)從而得到確認(rèn)。 研究結(jié)果確認(rèn)了木賊目與蕨類植物的其它成員是姊妹群、碗蕨科與真水龍骨類是姊妹群等過(guò)去長(zhǎng)期爭(zhēng)議的焦點(diǎn)。結(jié)果還有力支持與主流觀點(diǎn)不同的新譜系結(jié)構(gòu)，包括：觀音座蓮科與由松葉蕨科、瓶爾小草科組成的單系枝構(gòu)成姊妹群，第一次從分子系統(tǒng)學(xué)角度證實(shí)了厚囊蕨類的單系性；第一次發(fā)現(xiàn)里白科和膜蕨科組成的單系枝與雙扇蕨科構(gòu)成姊妹群這一新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并從孢子囊環(huán)帶形態(tài)角度解釋了這一結(jié)構(gòu)的合理性；第一次發(fā)現(xiàn)鐵角蕨科為水龍骨II的基部類群，重構(gòu)了水龍骨II內(nèi)部系統(tǒng)發(fā)生結(jié)構(gòu)。這一系列新的發(fā)現(xiàn)將為重構(gòu)現(xiàn)有蕨類植物分類系統(tǒng)提供參考。 基于穩(wěn)健的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，論文對(duì)蕨類植物孢子囊這個(gè)獨(dú)特的器官進(jìn)行了祖先性狀重建，重溯了蕨類植物孢子囊的演化路線，修訂了英國(guó)蕨類植物學(xué)家Bower于1923-1928年提出的孢子囊形態(tài)演化假說(shuō)，認(rèn)為蕨類植物孢子囊起源于無(wú)環(huán)帶的厚囊蕨類、然后逐漸演化成環(huán)帶不完全發(fā)育的紫萁類、橫生環(huán)帶類、斜生環(huán)帶類，最終演化成具有無(wú)弦之弓的直立環(huán)帶類，從而使蕨類植物具有高效的孢子彈射功能；而原來(lái)認(rèn)為的海金沙目中的頂生環(huán)帶類型則是退化類型，最終在滿江紅目等水生蕨類中消失。新的性狀演化路線為蕨類植物譜系分化提供了合理解釋；同時(shí)，論文大規(guī)模的蕨類植物轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)也同步釋放，將為推動(dòng)早期陸生植物的進(jìn)化生物學(xué)研究提供大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 |
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2樓2017-12-18 21:41:13
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