菊支基部山茱萸目和杜鹃花目系统发育基因组学研究

	菊支基部山茱萸目和杜鹃花目系统发育基因组学研究; Phylogenomics of Cornales and Ericales, the Two Basal Clades of Asterids
	付超男
导师	高连明
学位专业	植物学
关键词	山茱萸目杜鹃花目系统发育基因组学叶绿体基因组生物地理
摘要	山茱萸目和杜鹃花目是被子植物中最大真双子叶植物分支菊支的基部类群。山茱萸目较小，包含10科约47属605种；而杜鹃花目较大，包含22科约346属11,545种。两个目分布范围广，形态、生境等多样性高，且均包含大量具有重要保护价值、经济价值和生态价值的类群。山茱萸目和杜鹃花目可能经历过古老的快速分化，在很短的时间内分化出大多数类群。虽然两个目的系统发育研究较多，但其系统发育关系长期以来都没有得到很好的解决。解决这种快速辐射类群的系统演化关系一直是本领域的难点和挑战。然而，重建可信的系统发育树是研究类群起源、生物地理和多样化格局等进化问题的基础。近年来迅速发展的系统发育基因组学为解决植物类群深度分支的系统关系提供了契机。本研究对山茱萸目和杜鹃花目进行较全面取样的基础上，利用浅层基因组测序方法获得山茱萸目叶绿体基因组序列和杜鹃花目叶绿体基因组及主要分支的线粒体基因序列，基于转录组测序获得杜鹃花目主要分支的核基因序列。利用基因组数据重建两个目的系统发育关系，结合已发表的可信化石信息，估算两个目各主要类群的分化时间。基于所得的分化时间对两个目的多样化模式进行分析，并对取样较全的山茱萸目的生物地理格局进行了探究。主要研究结果和结论如下：1. 山茱萸目叶绿体基因组结构与系统发育分析方法探讨通过对山茱萸目主要分支的14个物种的的叶绿体基因组序列进行比较研究，探讨了山茱萸目叶绿体基因组的组成和结构特征。山茱萸目叶绿体基因组结构较为保守，与大多被子植物类似，为典型的四分体结构，即包括一个大单拷贝区，一个小单拷贝区及将这两部分分开的反向重复区。山茱萸目叶绿体基因组长为156-159 kbp，包括114个基因，其中含31个tRNA基因、4个rRNA基因和79个蛋白质编码基因。其基因组成和顺序一致，没有较大的结构变异。两个基因即rpl22和ycf15基因在一些类群中由于出现提前终止子长度变异较大。基于主要分支的14个物种的叶绿体基因组序列的编码区、非编码区及全叶绿体基因组都能很好地解决山茱萸目主要分支的系统关系，且分区和对数据过滤不会影响系统发育推断的结果。2. 山茱萸目叶绿体系统发育基因组学及生物地理基于山茱萸目全部10科32属的81个叶绿体基因组序列，重建了山茱萸目系统发育关系。研究表明，去掉或减少同义突变位点有助于系统发育推断，蛋白质编码基因核苷酸序列的不同区域或不同的编码方式会产生冲突的系统发育关系（如水穗草科的系统位置），当数据异质性较高时对基因核苷酸序列进行重新编码是值得尝试的方法。基于四个数据矩阵即氨基酸序列、蛋白编码序列的第一和第二位密码子、简并核苷酸序列和非编码区序列得到了支持率较高、较可靠的系统发育关系，支持以下科间关系，即（（（山茱萸科-八角枫科）-（南非茱萸科-假石南科））-（（（蓝果树科-珙桐科）-单室茱萸科）-（（水穗草科-（绣球花科-刺莲花科））））。而且大科内的属间关系也得到了很好的解决。基于蛋白质编码基因核苷酸序列所有位点和基因第三位密码子支持水穗草科和刺莲花科为姐妹群，这一冲突主要是由于蛋白质编码基因中的同义突变位点引起的。分化时间推断支持山茱萸目起源于白垩纪中期，并且在很短的时间内快速分化出主要分支。多样化速率分析发现，山茱萸目假石南科-南非茱萸科分支和绣球花科中的Fendlera-Jamesia分支经历了多样化速率显著下降，而绣球花科-刺莲花科分支和绣球花科中的山梅花属分支经历了多样化速率显著上升。是否使用化石及如何使用化石信息会影响生物地理推断。祖先分布区重建结果显示，基于不同的化石信息使用情况，山茱萸目起源于北半球劳亚大陆包括现今的北美和欧亚大陆，或者仅起源于亚洲或北美洲。随后一些分支向南半球扩散，水穗草科、南非茱萸科和假石南科的形成和分化可能与两次独立向非洲扩散有关，而刺莲花科可能起源于北美，然后向中美及南美洲扩散。3. 杜鹃花目叶绿体基因组特征基于对杜鹃花目22科162个叶绿体基因组序列比较分析，研究了其叶绿体基因组的组成和结构特征。杜鹃花目大多数类群的叶绿体基因组能够比较容易通过浅层基因组测序获得数据并拼接成环状结构，但杜鹃花科和岩梅科大多数类群因叶绿体基因组存在大量较长的重复序列，难以直接拼接成完整的环状叶绿体基因组。最终，我们得到杜鹃花目126个完整环状叶绿体基因组。杜鹃花目大多数类群的叶绿体基因组都比较保守，为典型的四分体结构，长度为150-165 kbp，GC含量大约为37%，包括115个基因。该目内营养型为异养型的类群其叶绿体基因组组成和结构变异很大，如全寄生类群帽蕊草科仅保留了约26 kbp叶绿体基因组序列，仅包含26个基因；真菌异养类群杜鹃花科水晶兰族的两个种水晶兰和球果假沙晶兰也丢失了大量叶绿体基因，长度约30 kbp，分别包含了37个和41个基因。这两个分支叶绿体基因组GC含量（22.4%-31%）都显著低于该目的其他类群。杜鹃花目的两个食虫植物分支捕虫木科和瓶子草科的叶绿体基因组结构与其他分支较为一致，但瓶子草科三个种眼镜蛇瓶子草、翼状瓶子草和紫瓶子草均丢失了八个ndh基因；而捕虫木科丢失了accD和clpP基因。除此以外，杜鹃花目瓶子草科眼镜蛇瓶子草、杜鹃花科齿缘吊钟花以及安息香科的滇赤杨叶和木瓜红的叶绿体基因组中均发现了较大的倒位（4,722-20,463 bp）。综上所述，杜鹃花目大多数科叶绿体基因组结构较为保守，但完全非光合作用分支的叶绿体基因组退化严重，一些类群存在基因丢失情况。后期利用叶绿体基因组推断杜鹃花目系统发育时需要注意叶绿体基因组结构变异和数据缺失情况。4. 杜鹃花目系统发育基因组学及多样化格局通过整合杜鹃花目所有22科主要分支的125属208种的225个叶绿体基因组的79个蛋白质编码基因数据，重建了杜鹃花目系统发育关系。除了帽蕊草科，杜鹃花目八个主要分支间的关系相较以前研究得到了更好地解决和较高支持，八个分支内的科间关系均得到解决。杜鹃花目最基部类群为（凤仙花科-四籽树科）-蜜囊花科分支；山茶科与（安息香科-岩梅科）-山矾科聚为一支。帽蕊草科的位置基于叶绿体基因组数据不能确定，虽然帽蕊草科与猕猴桃科、捕虫木科以及瓶子草科关系较近，但支持率非常低，且与该分支关系较近分支间的支持率均非常低。而当去除帽蕊草科后，八个主要分支得到很好的支持。基于28个线粒体基因构建了杜鹃花目18科（含帽蕊草科）的系统发育关系，结果同样支持杜鹃花目的八个主要分支，且支持帽蕊草科与报春花科为姐妹群（100%），然后依次与柿树科（85%）和山榄科（56%）聚为一支，然而主要分支间的系统关系仍然没有解决。通过整合杜鹃花目已发表的转录组数据，并补充帽蕊草科和四籽树科的转录组数据，我们获得了杜鹃花目17个科的转录组数据。基于转录组氨基酸序列获得了102个直系同源基因，而基于核苷酸序列获得了136个直系同源基因。基于这些转录组数据的系统发育分析结果支持了八个主要分支中的四个，帽蕊草科的位置在基于转录组氨基酸和核苷酸序列，利用串联法和溯祖法分析时得到的结果不一致，且支持率均较低，而且主要分支及科间的关系仍然没有得到很好的解决。分化时间推断支持杜鹃花目起源于白垩纪中期，其后在极短时间内（5 Myr）分化出了八个主要分支和大多数现存科。利用MEDUSA和BAMM对杜鹃花目分化速率变化进行了检测，MEDUSA检测到三个分支多样化速率显著升高，六个分支多样化速率显著降低，显著升高的分支分别是凤仙花科，报春花科的Myrsinoideae-Primuloideae分支和杜鹃花科的（Ericoideae-Cassiopoideae）-（Harrimanelloideae-（Vaccinioideae-Styphelioideae））分支。BAMM检测到五个多样化速率明显升高的分支，即山榄科、报春花科中的Myrsinoideae分支、杜鹃花科，及杜鹃花科中的Vaccinioideae-Styphelioideae和Ericoideae分支。多样化速率随时间变化分析显示，杜鹃花目早期多样化速率较高，随后开始下降，在大约40 Mya开始上升，并在大约18 Mya达到一个峰值。对每个分支单独分析显示，杜鹃花目多样化速率的变化主要由杜鹃花科和报春花科多样化速率变化较大引起。
	2019-06
学位授予单位	中国科学院昆明植物研究所
学位名称	博士
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.kib.ac.cn/handle/151853/74026
专题	昆明植物所硕博研究生毕业学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	付超男. 菊支基部山茱萸目和杜鹃花目系统发育基因组学研究, Phylogenomics of Cornales and Ericales, the Two Basal Clades of Asterids[D]. 中国科学院昆明植物研究所,2019.

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付超男-201518010615005.（14184KB）	学位论文		限制开放	CC BY-NC-ND	请求全文