质体系统基因组学解读所有开花植物科间关系

文章简介

本文是中国昆明植物研究所李德铢团队的李洪涛老师2021年10月29日发表在《BMC Biology》期刊上的文章，IF:7.431。文章内容是通过增加质体数量，样本量，基因覆盖率，利用质体组数据对APW中所有公认的被子植物科进行系统基因组学研究，构建了“PPA II”树，分析了所有公认的被子植物科代表，解决核心双子叶植物五个主要分支之间解释不清的目间关系和科间关系，特别是科水平的关系。

原文链接：https://doi.org/10.1186/s12915-021-01166-2

研究思路

研究背景

开花植物是迄今为止种类最多、物种最丰富的绿色植物分支，数量约295000-370000。传统上被子植物根据子叶数分为单子叶植物和双子叶植物。二十世纪末，基于形态学的分支单子叶植物仍是一个定义明确的群体，具有单孔或单孔衍生花粉，但双子叶植物恢复为非单系。大多数“双子叶植物”形成了一个支撑良好的分支，称为三尖瓣或者基于其三孔或三孔衍生花粉的真双子叶植物。这些发现在DNA系统发育研究中得到证实，并证明了许多遗留的高度异质性非真双子叶植物的组成和位置。现存的被子植物中的三个小分支Amborellalles（1种），睡莲（88种）和Austraboileyales（94种）统称为ANA级，代表第一个分支。其余属于一个高度支持的分支，称为核心被子植物，占被子植物物种的99.9%以上，其分为五个分支：真双子叶植物（210600种）、单子叶植物（74300种）、木兰类植物（10800种）、绿藻（77种）和金鱼藻目（4种）。这些被子植物系统发育分类为被子植物主要分支提供了坚实的理解。最近的系统发育分析采用广泛的分类单元取样，但不同基因组的基因（2351个被子植物质体；682个被子植物转录体和3099个被子植物）产生了相互冲突的拓扑结构。对金鱼藻目、木兰类和睡莲类关键主要分支的基因组测序进行系统发育研究，但这些分析要么不能解决被子植物树的某些部分，要么不能产生一致的结果。另外目内的一些关系，如金虎尾目、虎耳草亚目、鸭跖草亚目和蔷薇亚目也没有完全解决。之前质体系统基因组PPA树，包含64个目353个科的2351个物种，为被子植物科级树提供了重大贡献。然而，APG IV鉴定的63个科及17个新坚定地17个科中10个在PPA中缺失，APW鉴定的其余的七个科在PPA树中当做其他科，这73个漏鉴定物种排除了对所有被子植物科之间系统发育关系的全面评估。本研究通过分析最大的质体数据集来解决被子植物在科及以上水平的进化关系。与之前的PPA比，APW质体的数量从2694增加到4627。样品量增加66.3%，基因覆盖率增加45%，并且鉴定出433科。目标是基于质体基因组系统发育关系巩固被鉴定的科主要分支或更具包容性的分支；为被子植物早期进化史提供了另外的视角；提供了一个基于质体组的拓扑结构；用于与核基因组的研究进行比较。

研究结果

数据集的特征

对4792数据集样本进行初步分析：4627个样本代表4498种被子植物，165个样本代表162种裸子植物作为外群；86个新测序的质体代表57个被子植物科，另外从GenBank发布的质体，种子植物内的分类界限遵循APW。这是第一次利用质体组数据对APW中所有公认的被子植物科进行系统基因组学研究，质体系统基因组分析产生了一棵树，称之为“PPA II树”，其中75%的被子植物节点位于或高于目水平，78%位于或高于科水平。

图1基于4792个质体的PPA II树中68个目之间的关系

异养类群对系统发育推断的影响

五个异养科缺乏明确的系统发育位置。Rafflesiaceae在其寄主葡萄目中嵌套，表明这些质体基因来自寄主植物，因此，Rafflesiaceae不在后续分析中。Apodanthaceae、Balanophoraceae、Mitrastemonaceae和Thismiaceae，具有长的分支，在虎耳草目内形成了一个强有力的“分支”，作为另一个全寄生科锁阳科的姐妹。移除锁阳科植物后，这个“分支”是完全异养菌（兰科）的姊妹，同样有一个长的分支。然而，当移除锁阳科和锁阳属后这四个科形成了一个“分支”，长分支为Sarracenia（Sarraceniaceae），并且在早期分析中，连续删除其姐妹后，长分支仍然存在。这些分类群的极长分枝表明长分枝吸引的典型案例，并且可以解释一些异养植物不寻常的系统发育。系统发育分析不包括Apodanthaceae、 Balanophoraceae、Mitrastemonaceae、Thismiaceae产生的树，该结论与以前的分析基本一致。此外，去除这四个科加上锁阳科后显著增加了对许多节点的支持，尤其是单子叶植物和菊科植物中较深节点。

图2基于4792个质体的PPA II树中473个科之间的关系

目及以上系统发育关系

在PPA II中，被子植物分支为100BP，Amborellales、睡莲、Austraboileyales为连续的姐妹。核心被子植物五个主要分支之间的关系尚未完全解决。金粟兰目、木兰类、单子叶植物和金鱼藻目为真双子叶植物的继承姐妹，BP分别为100、40、94和86。结果为木兰目单系及其四个目提供了有力支持（BP=100），Canellales+ Piperales和 Laurales + Magnoliales提供有力支持，但木兰目的两种科间关系不显著。鸭跖草目分支的连续姐妹，首先是Acorales，其次是Alismatales、Petrosaviales、薯蓣目、百合目和天门冬目。在鸭跖草分支中，鸭跖草科的 Dasypogonaceae + Arecales分支是强（BP=98）分支的姊妹（BP=100），其中 Poales与 Commelinales 、 Zingiberales为姊妹分支。

真双子叶植物单系得到了有力支持，毛茛目是其他真双子叶植物的姐妹分支，另外圆柏亚科、毛茛亚目和黄杨目为核心真双子叶植物的继承姐妹。洋二仙草目是Pentapetalae姐妹分支。五瓣类植物由五棵目和超蔷薇类植物组成。

Dilleniales + superrosid，Dilleniales，, Saxifra-gales，葡萄目 为蔷薇其他分枝的继承姐妹。除葡萄目外，蔷薇分枝进一步分为Malvid和fabids。在Malvides中，Geraniales和Myrtales为其他的姐妹（BP=91），而Crossosomatales、Picramniales、Sapindales、Huerteales，作为Malvales +Brassicales的连续姐妹。蒺藜目是fabid其他分枝的姊妹，其进一步分为固氮分枝和COM分枝。在固氮分支中，豆目、蔷薇目和葫芦目是Fagales的连续姐妹。

超菊类中檀香目是其他的姐妹分支，小檗目和石竹目作为菊类植物姐妹，同时山茱萸目是杜鹃花目和其他菊类植物的姐妹分支，其他的菊类植物分为 campanulids和 lamiids分支。Campanulids、Aquifoliales、Escalloniales + Asterales、Bruniales、Apiales、Dipsacales是盔瓣花目的继承姐妹。并且所有风铃草属植物关系都得到了很好的支持，然而，大多数目间关系较弱。

科水平的主要系统发育关系

图3蔷薇科植物PPA II（左）与APW（右）的科系统发育关系

除马兜铃科外，所有样本的科都为单系；除金缕梅科（BP=67）外，所有科都得到好的支持。为了比较PPA II与先前研究的科间关系，参考基于先前研究的科间关系的最全面概述的APW。PPA II与APW树基本一致，但也有一些不一致的地方。研究解决了APW中提到的以前一些未解决的多分支，如蔷薇目中Rhamnaceae、Elaeagnaceae、Barbeyaceae、 Dirachmaceae之间的关系；十字花目中Pentadiplandraceae和Resedaceae + Gyrostemonaceae、Tovariaceae、[Capparaceae [Cleomaceae + Brassicaceae]] 之间的关系；无患子目中Meliaceae, Simaroubaceae、 Rutaceae之间关系； 百合目中Campynemataceae、Corsiaceae、 Melanthiaceae之间关系；山茱萸目中Malvales和其他科之间关系。

研究还大大改善了对许多科位置及27目的科间关系。如天门冬目、菊目、鸭跖草目、缨子木目、壳斗目、桃金娘目、蔷薇目。此外，文献中未取样的73个科的系统发育关系得到解决，如 Corsiaceae与 Campynemataceae是姐妹关系， Ixioliriaceae 与Tecophilaeaceae是姐妹关系，Circaeasteraceae与 Lardizabalaceae是姐妹关系；Anisophylleaceae与 Cucurbitaceae是姐妹关系；Stachyuraceae与 Guamatelaceae +Crossosomataceae是姐妹关系。Petenaeaceae与Tapisciaceae + Dipentodontaceae是姐妹关系；Pentadiplandraceae 与Gyrostemonaceae + Resedaceae是姐妹关系；Tovariaceae 与Capparaceae plus Cleomaceae +Brassicaceae 是姐妹关系；Macarthuriaceae与 Caryophyllaceae + Achatocarpaceae + Amaranthaceae是姐妹关系， Loasaceae 与Hydrostachyaceae 是姐妹关系，Namaceae与 [Ehretiaceae [Cordiaceae + Heliotropiaceae]]是姐妹关系。然而，禾本目中仍然存在棘手的科关系，虎耳草目、葫芦目、醡浆草目、金虎尾目、檀香目、杜鹃花目、唇形目。 被子植物科树的系统发育评价与比较428个科的最大似然（ML）和ASTRAL 树。质体组数据集分析表明，大多数目的单系性得到支持，但某些目或科之间存在一些替代关系。同时在ML树中，基因和位点一致性因子（gCF和sCF）估计值通常是相关的，但这两个指标都远低于bootstrap标准。

讨论与结论

研究首次使用完整的质体进行系统发育分析，对所有已确认的被子植物科进行了大量取样，从中分析了被子植物科、目之间系统发育关系，高水平的分支可以在单一的系统发育树中找到，被子植物的单系性和八个主要分支的划分得到了支持。Amborellalles、Nymphaeales和Austraboileyales是被子植物继承姐妹。除了木兰的弱支撑位置外其他核心被子植物的单系长度为100bp，且[Chloranthales[Magnolids[monocots[Ceratophyllales eudicots]]]拓扑结构得到了很好支持。

图4 基于质体和核基因组数据集，被子植物的八个主要谱系的两种对比拓扑

最近的核系统发育分析单子叶植物与真双子叶植物的亲缘关系比质体树中的木兰科植物更为密切，而在核基因进化树中木兰科植物与真双子叶植物的亲缘关系则更为密切。最近研究利用91个被子植物分类群的38个线粒体基因，发现这些主要分支间关系与质体树的关系一致。五大核心被子植物中核基因和细胞器拓扑结构的关系不一致，特别是在单子叶植物、木兰科植物和真双子叶植物中，表明被子植物早期的快速辐射和网状进化。为了解决这个问题，应该探索更多的基因组数据，特别是金粟兰目和木兰藤目的基因组数据。

本研究的质体系统基因组学已经证实，双瓣亚目、虎耳草亚目、葡萄目是蔷薇目的继承姐妹，檀香目、 Berberidopsidales、 Caryophyllales与菊分支是姐妹关系。然而，核基因组系统发育分析表明，这些目的系统发育位置存在很大的不一致性。利用核基因序列数据进行研究，证明五桠果目与superrosids、superasterids、heremaining、Pentapetalae、Gunnerales、Caryophyllales为姐妹群。Dilleniales的位置不确定让我们不能对关键性状起源有准确理解。

本研究支持推测的复合分支（Celastrales、Huales、醡浆草目、金虎尾目）的位置，但基于线粒体和核数据的其他分析支持锦葵类在内的COM分支。为 Escalloniales、Asterales、Boraginales、Gentianales、 Vahliales、Solanales包括asterids在内的唇形目系统发育位置提供了好的支持。解释了长期存在争议的Poales、虎耳草目、Brassicales、caryophyllares等科间关系，但金虎尾目、杜鹃花目、唇形目科间关系仍未解决。本研究支持酢浆草目（不包括蒜树科）和蒜树科作为 Celastrales + 金虎尾目 的姐妹群。本研究中，除马兜铃科和金缕梅科，其他科都获得了>95 BP的支持，马兜铃科在目前的研究中被发现为复系，[Saururaceae + Piperaceae]、[Saruma+Asarum]与马兜铃科为姐妹分支。但对APG II识别的APG IV树中未识别的Hydnoraceae、 Lactoridaceae没有取样。这两个案例是进一步研究的重点。

质体系统基因组分析了所有公认的被子植物科代表，解释了许多深层次的系统发育关系，特别是科水平的关系，强大的系统发育分支将为未来开花植物进化研究提供坚实基础。本研究通过增加分类抽样和大量质体数据来解决核心双子叶植物五个主要分支之间解释不清的目间关系和科间关系，如金虎尾目与其他几个目之间的解释不清的关系，但必须对大量单拷贝核基因进行分析。

小编总结

文章首先在背景介绍中讲述被子植物系统发育分类的现状，各种分类存在的问题，目前需要亟需解决的问题：八个主要分支之间的系统发育关系仍然存在争议，进而引出本文研究目的。其次创新方法通过增加质体数量，样本量，基因覆盖率利用质体组数据对APW中所有公认的被子植物科进行系统基因组学研究，构建了“PPA II”树，分析了所有公认的被子植物科代表，解决核心双子叶植物五个主要分支之间解释不清的目间关系和科间关系，特别是科水平的关系。最后回到研究的意义，为未来开花植物进化研究提供坚实基础。