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[優(yōu)秀文章推薦]中國學者通過大規(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。3.6億年來蕨類植物歷經(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)系錯綜復雜。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），這個被Science雜志稱為無弦之弓的神秘生殖器官，可以借助于氣壓和水勢的變化將孢子彈射出去。近年來科學界對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，特別是分子生物學興起以來，科學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（中國科學院上海辰山植物科學研究中心）蕨類植物多樣性與進化研究組聯(lián)合中國科學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)錄組測序。歷經(jīng)4年采樣、測序、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（物種覆蓋度90%）和2391個（物種覆蓋度75%）直系同源基因構(gòu)建兩個超級基因序列矩陣，最后得到兩個完全一致、高支持率的拓撲結(jié)構(gòu)關(guān)系。 同時，研究人員還采用多種方法對該拓撲結(jié)構(gòu)進行了相互驗證，采用了并聯(lián)法(coalescent- based)和串聯(lián)法(concatenation-based)、覆蓋度75％和90%物種基因覆蓋度對核苷酸序列和氨基酸序列等多種組合方法進行了相互驗證。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撲結(jié)構(gòu)；除了6個物種的位置有差異以外，四個不同方法、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。 研究結(jié)果確認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去長期爭議的焦點。結(jié)果還有力支持與主流觀點不同的新譜系結(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)學角度證實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)成姊妹群這一新拓撲結(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，論文對蕨類植物孢子囊這個獨特的器官進行了祖先性狀重建，重溯了蕨類植物孢子囊的演化路線，修訂了英國蕨類植物學家Bower于1923-1928年提出的孢子囊形態(tài)演化假說，認為蕨類植物孢子囊起源于無環(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；而原來認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，論文大規(guī)模的蕨類植物轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)也同步釋放，將為推動早期陸生植物的進化生物學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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