基于转录组的报春花属系统发育基因组学研究

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报春花属是广义报春花科最大的类群之一,全世界共有500多种,大部分种类分布于北半球。我国是报春花属的分布中心,共有300多种。作为物种多样性极其丰富的快速辐射演化类群,报春花属特别是组间的系统发育关系一直未能得到完善解决。同时,报春花属作为研究异型花柱的模式类群,这使得建立在物种系统关系上的进化生物学问题研究出现瓶颈。为了厘清报春花属下的谱系关系,同时寻找报春花属物种快速分化和多样性丰富的成因。本研究选取代表性样品,使用转录组数据重建属下系统发育关系。通过对76个新鲜样品进行转录组测序,联合公开获取的数据,共得到包含81个样品的转录组数据集,代表报春花属下23个组,74个物种以及三个外类群。测序组装后核基因转录本和叶绿体转录本被分别提取分析。核基因转录本采用两种直系同源筛选方法,基于核心直系同源基因的拓展法和All-by-All比对聚类切树法。其中扩展法得到包括1364个直系同源核基因比对矩阵,基因序列的样品覆盖率80%以上,总长度1,296,993个碱基。基于聚类切树法得到8271个直系同源核基因比对矩阵,基因序列的样品覆盖率60%以上,总长度9,706,584个碱基。叶绿体转录本与12个叶绿体全基因组的蛋白编码序列联合,通过锚定筛选同源基因序列,共得到36个叶绿体同源基因比对,包含93个样品,总长度29,337个碱基。利用以上三种比对矩阵,本研究使用多种方法重建了报春花属下的谱系关系,几乎所有方法都得到了接近完全解决的系统发育树,复现出以前研究界定的五个分支,特别是支持了粉报春亚属应划分为独立两支的观点。但是,核基因矩阵和叶绿体矩阵所得到的系统发育树存在很大的差异。这种核质间物种树的差异也得到以往基于少数片段(ITS和叶绿体片段)系统发育研究的印证。意外的是,两种核基因比对矩阵的研究结果共同显示外类群独花报春置于报春花属内藏报春亚属分支中,并得到高度支持。这有悖以往系统学研究和使用少数叶绿体基因片段的分子系统发育研究结果。针对这一问题,本研究在核基因和叶绿体数据集中检测支持两种相对位置假设的基因树拓扑结构距离的空间分布。结果发现,支持两种假设的基因树数目大体相当,且独花报春的位置是影响基因树拓扑结构差异的最大因素。值得注意的是,由于支持独花报春位于报春花属内假设的基因树在空间分布上更为收敛。如果ILS沿物种树均匀速率发生,那么支持这种假设的基因树,可能在时间上起源的更晚,暗示了潜在的横向基因转移事件。接着,本研究使用基于单核苷酸多态位点式样的方法来检测报春花属可能存在的杂交渐渗和基因流事件。结合使用基于基因树的网状进化分析,探索报春花属物种可能的网状进化路径。两套分析的结果都表明报春花属下的几个主要分支在快速辐射分化过程中广泛存在横向基因流,特别是报春花属分化早期与独花报春之间展现出复杂的网状进化结构。最后,本研究检测了报春花属及其近缘类群可能经历的古多倍化事件。基因复制式样的结果表明,报春花属祖先分化早期存在多个全基因组复制事件,这些事件很可能共同导致了报春花属下各类群随后的快速辐射分化。同时,我们使用基于种内和种间同义突变速率Ks的密度分布,检测到报春花属及其近缘类群可能经历过至少两次较为古老的多倍化事件。通过对这两次古多倍化事件发生时间的定位,大致确定其中较古老的古多倍化事件发生远早于报春花科共同祖先分化之前,很可能是由被子植物及在其之前的多次古老多倍化事件的信号叠加形成。而较年轻古多倍化事件的发生时间晚于报春花科共同祖先开始分化的冠群时间,早于报春花属共同祖先开始分化的冠群时间。更精确的定位仍有待进一步增加样品来分析确定。
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