每日摘要:核心被子植物五大類群之間的系統演化關係(Plant Communications)

2021-01-18 植物類SCI摘要

Hope everybody can study well and make progress every day!


Phylogenomic Insights into Deep Phylogeny of Angiosperms Based on Broad Nuclear Gene Sampling


First author: Lingxiao Yang; Affiliations: Nanjing Normal University (南京師範大學): Nanjing, China

Corresponding author: Bojian Zhong


Angiosperms (flowering plants) are the most diverse and species-rich group of plants. The vast majority (∼99.95%) of angiosperms form a clade called Mesangiospermae, which is subdivided into five major groups: eudicots, monocots, magnoliids, Chloranthales, and Ceratophyllales. The relationships among these Mesangiospermae groups have been the subject of long debate. In this study, we assembled a phylogenomic dataset of 1594 genes from 151 angiosperm taxa, including representatives of all five lineages, to investigate the phylogeny of major angiosperm lineages under both coalescent- and concatenation-based methods. We dissected the phylogenetic signal and found that more than half of the genes lack phylogenetic information for the backbone of angiosperm phylogeny. We further removed the genes with weak phylogenetic signal and showed that eudicots, Ceratophyllales, and Chloranthales form a clade, with magnoliids and monocots being the next successive sister lineages. Similar frequencies of gene tree conflict are suggestive of incomplete lineage sorting along the backbone of the angiosperm phylogeny. Our analyses suggest that a fully bifurcating species tree may not be the best way to represent the early radiation of angiosperms. Meanwhile, we inferred that the crown-group angiosperms originated approximately between 255.1 and 222.2 million years ago, and Mesangiospermae diversified into the five extant groups in a short time span (∼27 million years) at the Early to Late Jurassic.


Figure 1. Representative Published Topologies among the Five Major Groups of Mesangiospermae: Eudicots, Monocots, Magnoliids, Chloranthales, and Ceratophyllales.


被子植物，又稱有花植物，是植物中物種多樣性最豐富的類群。絕大部分現存的被子植物形成單系類群稱為核心被子植物（Mesangiospermae），該單系群中包含五大主要類群：真雙子葉植物（eudicots）、單子葉植物（monocots）、木蘭類植物（magnoliids）、金粟蘭目（Chloranthales）以及金魚藻目（Ceratophyllales）。這五大類群之間的系統發育關係長期是爭論的熱點。本文中，作者選擇151個被子植物五大類群的代表性物種並篩選1594個基因，通過溯祖法和串聯法來構建被子植物早期分化類群的系統發育關係。作者首先對這1594個基因進行了系統發育信號檢測，結果發現超過一半的基因缺少被子植物系統發育主幹上的發育信號。移除了這些發育信號「貧瘠」的基因後，進一步的系統發育分析發現真雙子葉、金魚藻目以及金粟蘭目聚為一個進化枝，然後依次是木蘭類植物與單子葉植物。相似的基因樹拓撲結構衝突頻率說明在被子植物核心類群分化過程中發生了不完全譜系分選。作者認為二叉系統發育樹可能無法展示真實的被子植物早期輻射。同時，作者推斷了被子植物大約起源於距今255.1到222.2個百萬年前，而核心被子植物在早侏羅紀到晚侏羅紀間的某個時期短短27個百萬年迅速分化形成了如今的五大類群。

An abbreviated tree showing the relationship of the five lineages of Mesangiospermae with associated support values (PP/MLBS).


1594個OGs鑑定方法簡介


本文作者通過151個被子植物，包括98個真雙子葉植物、24個單子葉植物、19個木蘭類植物、4個金粟蘭目植物和2個金魚藻目植物，輔以2個裸子植物作為外群，深入解析了核心被子植物五大類群之間的系統發育關係。作者通過Deep Metazoan Phylogeny website（http://www. deep-phylogeny.org/hamstr/）獲得了4180個可能的直系同源基因（putative orthologous genes；pOGs），利用Hmmer在153個被子植物物種搜尋出上述4180個pOGs的序列，通過初步的篩選（去掉核酸序列小於600 nt和物種覆蓋度小於50%的基因）獲得了2435個pOGs。為了去掉可能的旁系同源基因，本文進行了一系列的篩選。首先利用RAxML構建2435 pOGs的基因樹，基於溯祖法利用ASTRAL軟體推斷物種樹；該物種樹的系統發育框架與已有研究結果一致，因此將其作為參考物種樹並利用RAxML重新估算枝長。接著作者計算了基於參考拓撲結構下每個pOG單基因樹的枝長，如果單基因樹的枝長高於參考物種樹對應分枝枝長的5倍，則刪除該基因中對應物種的序列（也就是刪除某個基因中某物種的序列，認為在該物種中該基因不是直系同源基因）。最後，作者計算了基於參考拓撲結構下每個單基因樹的枝長與參考樹枝長的皮爾森相關係數r，移除r值異常的基因（即箱線圖裡面的最小和最大觀測值範圍以外的數），認為這些基因是假的直系同源基因。另外，作者還比較了不限制拓撲結構的單基因樹與參考物種樹的枝長，如果單基因樹的枝長高於參考物種樹對應枝長的5倍，則刪除。最後，對處理後的pOGs重新比對和修剪，並刪除核酸序列小於600nt和物種覆蓋度低於70%的pOG。考慮到金粟蘭目和金魚藻目的物種採樣稀少（共6個），所以額外的篩選條件是pOG中必需含有所有這6個物種的序列，共獲得了1696個直系同源基因（orthologous gene; OG）。接著，作者計算了每個ML基因樹的ABS值（average bootstrap support；doi: 10.1038/nature12130）和TCA得分（Tree Certainty all；doi: 10.1093/molbev/msu061），然後選擇了ABS大於等於50%和TCA大於0.3的OGs，最終作者篩選出1594個OGs構建被子植物的系統發育樹。


通訊：鍾伯堅 (http://sky.njnu.edu.cn/cn/shiziduiwu/zhong-bo-jian)


個人簡介：2003-2007年，中國地質大學，學士；2007-2010年，復旦大學，碩士；2010-2014年，紐西蘭梅西大學，博士。


研究方向：植物系統發育基因組學；植物多樣性與適應性進化；植物光信號通路的分子演化。


doi: https://doi.org/10.1016/j.xplc.2020.100027


Journal: Plant Communications

Published date: January 29, 2020


p.s. (我起的初稿，鍾老師進行了細緻的修改和最終的定稿)

相關焦點

  • 每日摘要:苔蘚植物中一個類菌根基因作用於幹細胞和配子體發育(Nature Communications)
    Despite the pivotal role of fungi in plant adaptation, it remains unclear whether and how gene acquisition following fungal interaction might have affected the development of land plants.
  • 每日摘要:有花植物雙受精中決定中央細胞細胞命運的轉錄抑制機制(PNAS)
    雙受精（double fertilization）是被子植物演化成功的關鍵創新之一，由兩種受精的雌配子，分別為卵細胞（egg cell）和中央細胞（central cell），形成胚胎和胚乳組織。包含在孢子體內的雌配子體，即胚囊（embryo sac），來源於單個細胞的單倍體細胞系。
  • 每日摘要:形成層單層幹細胞決定植物的徑向生長(Plant Physiology)
    Radial growth of plant shoots and roots is a stem cell-driven process that is fundamental for the mechanical and physiological support of enlarging plant bodies.
  • 誰是地球上最古老的開花植物類群?
    作為早期被子植物類群，睡蓮基因組和生物學特點對理解被子植物快速輻射具有重要的意義。 睡蓮跟荷花是同一類型嗎？ 雖然睡蓮和荷花長相類似，但親緣關係距離很遠。荷花屬於真雙子葉，之前認為它們屬於同一類型實屬誤解。
  • 版納植物園等發現被子植物中由水介導的受精系統
    在最早期的植物類群綠藻中，受精過程是在水中實現的。苔蘚植物和蕨類植物雖然登上了陸地，但是受精過程依然離不開水。水介導的受精系統因此也被認為是早期陸生植物特有的受精系統，但這種受精系統在演化過程中限制了植物的擴張，對於其陸生生境是不適應的。相比之下，種子植物不再直接傳遞精子，而是演化出利用動物和風來傳遞整個雄配子體（花粉）的機制，即：傳粉機制。
  • 研究解析核心十字花科植物的系統發育關係
    該科有模式植物擬南芥，也是被子植物全基因組序列數據發表最多的科之一，為研究全基因組加倍、環境適應機制、基因功能進化等重要生物學問題提供了機會。十字花科的分類學研究歷史悠久，近年來的分子系統學研究重新界定了十字花科族的劃分，並由較早系統的19個族逐步擴增至劃分為52個族。由於十字花科複雜的進化歷史，且已有研究取樣代表不足，核心十字花科的主要分支間以及族間的系統發育關係仍存在問題。
  • 每日摘要:山蒼子基因組揭示樟科的演化(Nature Communications)
    木蘭類植物中的樟科（laurel family）由於其香味、多變的花序以及爭議性的系統發育地位吸引了人們的關注。本文中，作者報導了山蒼子（Litsea cubeba）染色體級別的基因組，以及樟科其它植物物種的低深度基因組和轉錄組數據。
  • 從裸子植物到被子植物
    裸子植物與被子植物的興衰史目前一般認為，出現在泥盆紀的種子蕨是原始的裸子植物。這類植物主幹不分枝，頂端生有類似蕨類植物的大型羽狀複葉，雖然尚無真正的種子，但植物體上已有類似種子的胚珠，這或是向裸子植物演化的高級過渡形式。由其演化而來的蘇鐵類、銀杏類、針葉類裸子植物在二疊紀繁茂生長。在侏羅紀，裸子植物中的松柏類佔優勢，原始裸子植物逐漸消失；在此階段，被子植物或已經發生。
  • ...被子植物 早侏羅世 中華古果 植物解剖學 道虎溝 裸子植物 大化...
    在地球上的30多萬種植物中，其中20多萬種都屬於被子植物。被子植物就是有花植物，是人們在自然界中最常見到的一大類植物。與其他各個類群的植物相比，被子植物不僅種類最多，而且與人類的關係也最密切。但是被子植物的起源問題，一直是植物學家備感困惑的演化生物學難題。
  • 鵝掌楸演化「密碼」被破譯
    ，再次證明生物學教科書上關於木蘭類植物「古老身份」的論斷——以鵝掌楸為代表的木蘭類植物的確形成於單、雙子葉植物分化之前。該研究首次完成了木蘭類物種中國鵝掌楸的基因組組裝，從全基因組水平解析了被子植物的系統演化，確定了木蘭類植物在被子植物中的演化地位。　　木蘭類植物是核心被子植物中較早演化出來的一支，其基因組信息對於理解被子植物的演化具有非常重要的意義。然而長期以來，學術界關於木蘭類植物、雙子葉植物與單子葉植物之間的演化關係，爭論不休。
  • 中華十字果：真正的被子植物誕生了？
    就在紛紜的爭論中，熱河生物群的遼西地區於2003年又發現一種更為高級的早期被子植物化石，科學家把它命名為十字中華果。中國科學院南京地質古生物研究所冷琴博士和丹麥著名古物學家傅睿思，在2003年4月澳大利亞出版的國際植物學刊物——《植物系統與演化》上發表了她們的這一研究成果。十字中華果是根據一塊正負面保存的化石命名的。
  • 中科院昆明植物所被子植物花粉性狀演化研究獲進展—新聞—科學網
    近期，中國科學院昆明植物研究所研究員王紅團隊，基於被子植物基部真雙子葉類群最新的分子系統發育學研究結果，利用葉綠體基因片段matK和rbcL構建該類群屬級水平分子系統發育框架
  • 十字中華果一一真正的早期被子植物
    繼遼寧古果和中華古果被發現並命名後，關於地球上第一朵花以及第二朵花的爭論一直不絕於耳，許多古植物學家紛紛質疑，遼寧古果和中華古果雖然是非常重要的發現，但是其是早期的被子植物仍然存疑，存疑的主要依據是遼寧古果和中華古果化石中的所謂「種子」，並不一定是真正的種子。
  • 每日摘要:小蛇根草(藥用植物,產喜樹鹼)基因組(Nature Communications)
    主要研究：Here, we report chromosome-level reference and phased genome assembly of Ophiorrhiza pumila, a camptothecin-producing medicinal plant
  • 花和草還有果哪一個是最早的被子植物？
    這些產自早白堊世到侏羅紀的早期被子植物大化石，為揭示被子植物起源提供了關鍵性的證據。 然而對於最早被子植物的發現遠遠沒有結束，被子植物的化石記錄沒有最早，只有更早。 2010年遼寧再次發現1.6億年前的花化石，而且是一種對傳統「演化規律」提出挑戰的遠古植物。
  • 初中生物知識點梳理之植物的主要類群
    植物的主要類群：藻類植物、苔蘚植物、蕨類植物、裸子植物、被子植物。 　　動物的主要類群：原生動物、腔腸動物、扁形動物、線形動物、環節動物、軟體動物、棘皮動物、節肢動物、魚類、兩棲類、爬行類、鳥類、哺乳類。 　　根據生物之間的相似程度，把生物分成不同等級的分類單位，它們從大到小依次是界、門、綱、目、科、屬、種。
  • 一億年前「神秘花」現身:被子植物起源依舊成謎—新聞—科學網
    「從化石中可以清楚地看到，它是一朵五瓣花，並且具有花萼、花瓣、雄蕊、雌蕊，是十分典型的核心真雙子葉植物的五瓣花類。」王鑫在接受《中國科學報》記者採訪時說。 核心真雙葉子植物，就是普通人眼中所謂的真正的真雙子葉植物，而雙子葉植物則是指種子萌發時具有兩片子葉的植物。 不過，靜子花已經是花朵而非發芽的幼苗，所以研究人員判斷的依據自然還有其他特徵。
  • 每日摘要:耬鬥菜屬植物花蜜馬刺的調控因子POPOVICH(PNAS)
    提出問題：As none of the traditional plant model taxa have nectar spurs, little is known about the genetic and developmental basis of this trait.
  • 古昆蟲與裸子植物存在顯著特異性擬態關係
    在國家自然科學基金、北京市自然科學基金等的持續資助下，首都師範大學昆蟲演化與環境變遷重點實驗室的王永傑、史宗岡和任東在昆蟲與植物的協同演化研究工作中取得了新進展，發現了距今1.65億年的中侏羅世時期昆蟲與當時的裸子植物之間存在著明顯的特異性擬態關係。近日，該成果在美國《國家科學院院刊》（PNAS）上在線發表。
  • 聆聽科學——植物的起源與演化
    中國科學院植物研究所的科學家們與您暢聊植物的起源與演化，敬請期待！！