向日葵新家譜揭示花朵對稱的多重起源-T2GHSR45

一個新的向日葵家族樹揭示了花的對稱性獨立進化了多次。向日葵科的一種，具有或不具有雙側花對稱性。菊花（左上）和青蒿（右上）是來自同一部落的親緣關係密切的物種；前者有兩側對稱的花（射線），而後者沒有。向日葵部落的Rudbeckia hirta（左下）有兩側對稱的花，而Eupatorieae部落的Eupatorium chinense（右下）沒有；這兩個部落是密切相關的群體。向日葵（中心）的花朵兩側對稱（外排的大花瓣狀花朵），沒有對稱（內排的小花）。來源：uux.cn/張國進，馬實驗室，賓夕法尼亞州立大學
（神秘的地球uux.cn）據賓夕法尼亞州立大學（Sam Sholtis）：根據一項新的分析，向日葵家族樹揭示了花對稱性在這個大型植物家族的成員中獨立進化多次，這一過程被稱為趨同進化。由賓夕法尼亞州立大學的一位生物學家領導的研究小組解析了家譜中更多更精細的分支，深入了解了向日葵家族——包括紫苑、雛菊以及生菜和洋薊等糧食作物——是如何進化的。
一篇描述分析和發現的論文發表在《植物通訊》雜誌上，研究人員表示，這篇論文可能有助於識別有用的性狀，從而選擇性地培育出更理想的植物。
“聚合進化描述了不同物種中看似相同特征的獨立進化，比如鳥類和蝙蝠的翅膀，”賓夕法尼亞州立大學埃伯利科學學院生物學教授、Huck植物繁殖發展與進化主席、研究團隊負責人馬說。“這可能會使人們很難通過比較兩個物種的特征來確定它們的親緣關係有多密切，因此，基於DNA序列的詳細家譜對於了解這些特征是如何以及何時進化的至關重要。”
例如，向日葵頭實際上是由多個小得多的花組成的複合體。雖然頭部通常是徑向對稱的——它可以像海星或餡餅一樣在多個方向上分成兩半——但單個花朵可以有不同形式的對稱。根據這項新的研究，在進化史上，向日葵的雙側對稱性——隻有一條線將花分成兩半——已經進化並多次獨立消失。研究人員發現，這種趨同進化可能與花調控基因CYC2的拷貝數和表達模式的變化有關。
研究人員解釋說，近年來，通過廣泛使用轉錄組建立了一組相關物種的許多家譜，轉錄組是一個物種表達的基本上所有基因的遺傳序列。轉錄組比一個物種的高質量全基因組序列更容易獲得，但製備仍然困難且成本高昂，並且需要新鮮的植物樣本。為了增加可供比較的物種數量，研究小組轉向了低覆蓋率的基因組序列，這些序列是通過一種稱為基因組撇除的過程產生的，相對便宜且易於製備，即使是從幹燥的植物樣本中製備。
馬說：“為了獲得一個物種的準確全基因組序列，必須多次讀取或覆蓋其DNA字母表中的每個字母，以最大限度地減少錯誤。”。“為了構建家譜，我們在這篇論文中表明，我們可以使用覆蓋率較低的基因組序列。這使我們能夠增加分析中的物種數量，進而使我們能夠解析向日葵家譜上更多更精細的分支。”
該團隊使用了公開可用的和新生成的轉錄組的組合，以及大量新獲得的脫脂基因組，共有706個物種，代表來自向日葵科的16個亞科、41個部落和144個亞族。亞科是科的主要分支，而部落和亞族可以包含一個或多個屬，這是物種之上的分類級別。
馬說：“以前版本的向日葵家譜已經建立了大多數亞科和許多部落之間的關係，這些亞科和部落相當於一棵樹的主要分支。”。“隨著樣本量的增加，我們能夠在亞種和屬的水平上分辨出更多較小的樹枝和細枝。這棵分辨率更高的樹使我們能夠重建花朵對稱等特征在何時何地進化，這表明雙側對稱一定是獨立進化了很多次的。”
該團隊還研究了向日葵花發育相關基因的分子進化。他們發現，其中一個基因CYC2在每個物種的基因組中都有多個拷貝，在花兩側對稱的物種中被激活，這表明它可能是這種特征趨同進化的分子基礎的一部分。為了進一步驗證這一點，該團隊進行了實驗，以量化CYC2基因在不同對稱類型物種花朵中的表達。
馬說：“我們的分析表明，CYC2的表達與花的對稱性之間有著明確的關係，這表明這些基因在各種向日葵物種中的使用方式的變化可能與該家族中觀察到的趨同進化有關。”。“向日葵科是最大的兩個開花植物科之一，共有28000多個物種，其中包括許多具有重要經濟意義的農業和園藝物種。了解這些物種之間的親緣關係，使我們能夠確定它們的特征是如何以及何時進化的。這些知識還可以用於從親緣關係密切的野生物種中識別出有用的特征，這些特征可以培育成馴化物種。”
除了馬，研究團隊還包括賓夕法尼亞州立大學的張國進；楊俊波、蔡潔、張誌榮和高連明在昆明植物研究所；張彩飛在武漢植物園和中國武漢的中非聯合研究中心；焦伯涵、高天剛在北京植物多樣性與特種作物國家重點實驗室；和得克薩斯大學奧斯汀分校的Jose L.Panero。

向日葵新家譜揭示花朵對稱的多重起源

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