荨麻族的分子系统发育、叶绿体基因组演化及其大蝎子草属 的物种界定研究

	荨麻族的分子系统发育、叶绿体基因组演化及其大蝎子草属的物种界定研究
	CATHERINE AKINYI OGOMA
导师	李德铢
关键词	荨麻族，叶绿体结构进化，系统发育基因组学，基因组浅层测序，大蝎子草属，物种界定，荨麻科 Urticeae, plastome structural evolution, phylogenomic, genome skimming, Girardinia, automated species delimitation, molecular taxonomy, Urticaceae.
摘要	广义荨麻族（Urticeae s.l.）包括 10 余属共 220 余种，是荨麻科（Urticaceae Juss.）中一个中等大小的族。该族植物以其独特的刺毛以及药用、食用和纺织等经济价值而闻名，具有很高的研究价值。然而，由于前人研究在取样和分子标记等方面的局限性，加之其叶绿体基因组演化的问题未得到很好解决，使我们对荨麻族内的系统发育关系知之甚少。想要揭示荨麻族中各类群间错综复杂的关系绝非易事，因为很多属内的种间关系复杂，物种界定的研究也仅停留在传统分类学水平，其中蝎子草属（Girardinia Gaudich.）就是一个典型案例。该属植物属内物种划分混乱，主要原因是该属内物种缺乏界线清晰且稳定的形态特征用于物种界定。本研究通过浅层测序获得对荨麻族中所有属的叶绿体全基因组以及核糖体 DNA（18S-ITS1-5.8S-ITS2-26S）序列进行分析，揭示了该族植物的叶绿体基因组结构演化，重建了该族的系统发育框架。此外，我们对蝎子草属的物种界定进行了初步研究。相关研究对于荨麻族的类群划分、分子标记的开发、种质资源的挖掘和物种保护具有重要意义。本研究的主要结果和结论总结如下： 1.荨麻族植物的质体结构变异本研究一共分析了 57 种荨麻族植物的质体基因组，以揭示其在该类群内发生的结构变化。我们揭示了这 57 种植物质体基因组的大小、结构（大、小单拷贝区和反向重复区) 、蛋白质编码基因（PCG）、GC 含量以及与 tRNA 和 rRNA 的相关基因。研究发现，荨麻族植物的质体为典型的被子植物四分体结构，大小在 145~161kb 之间，编码 110~112个基因。我们对质体结构变异的研究包括：反向重复序列（IR）的扩张和收缩；trnNGUU基因的倒位（这是 Dendrocnide - Laportea decumana - Discocnide 分支的共衍征，但位于该支基部的 Discocnide mexicana 除外）；rps19 基因和 rpl2 内含子的丢失；以及多种重复类型的出现。此外，我们也鉴定出了在未来可用于该族 DNA 条形码研究的 11 个高度变异区域。这些变异也可应用于分类学、分子标记开发、群体遗传学和系统发育等方面的研究。 2.荨麻族植物的分子系统发育本研究首次基于荨麻族 12属 58种植物的基因组浅层测序数据(叶绿体基因组和核糖体大亚基)重建了荨麻族 12 属 130 种植物，基于 trnL-F 和 ITS 序列进行了系统发育关系重建分析。结果显示，叶绿体系统发育基因组学的分析在很大程度上理清了荨麻族内的系统发育关系，支持该族为单系类群，并且发现该族中除了艾麻属（Laportea Gaudich）、Urera Gaudich和荨麻属（Urtica Linnaeus）外，其余属均为单系。此外，分析结果也对以往有争议的分支有了清晰的阐明：（1）蝎子草属是 Dendrocnide-Discocnide-Laportea-NanocnideZhengyia-Urtica-Hesperocnide 分支的姐妹类群，（2）锥头麻属是狭义 Urera 的姐妹类群。 ITS 和 trnL-F 系统发育关系的支持率相对较低，但与叶绿体基因组和核糖体大亚基建树的结果基本一致。总之，本研究强调了基因组浅层测序在厘清不同类群间系统发育关系的潜力，并为荨麻族系统发育关系重建提供了新的视角。本研究所建立的荨麻族系统发育关系，将为将来该族的生物地理学研究打下坚实基础。 3.蝎子草属的物种界定本研究选取蝎子草属整个分布区的 164 份材料（蝎子草属 148 份和 16 份荨麻族其它物种材料），初步研究了该属的物种界定。本研究基于两个标记（叶绿体全基因组和核糖体大亚基），用三种方法（邻连法、最大似然法和贝叶斯推论）重建了系统发育树。同时，本研究也利用了 ABGD 法（Automated Barcode Gap Discovery）、 ASAP 法（Assemble Species by Automatic Partitioning ），bPTP 法（Bayesian implementation of the PTP）和 GMYC 法（Generalized Mixed Yule–coalescent），结合形态学研究，全面比较了这些方法的物种划分结果。结合形态学研究，我们发现，基于树的物种界定方法（GMYC 和 bPTP）过多估算了物种的数量，在所有使用的分析方法中，ABGD 法与传统经典分类学研究结果最为一致。然而，我们的研究结果也表明，仅凭分子数据是不足以深入了解蝎子草属内物种的进化和进行明确的物种界定的。本研究将对大蝎子草属的分类学、种质资源保护和利用等具有重要借鉴和参考价值，并有助于进一步开发蝎子草属的经济价值。综上所述，在今后的研究中，为了达到准确的物种界定，我们将结合更多来自形态学和生态学的证据进行研究; Urticeae is a moderately sized tribe (slightly more than 10 genera and approximately 220 species) within the family Urticaceae that is well-known for its stinging trichomes and a couple of economic uses such as medication, food, and fiber. In general, this tribe is known to have a number of enigmatic relationships that have proven difficult to resolve, as well as some genera, like Girardinia, that have proven difficult to delimit. Evidently, relationships within this tribe remain poorly understood due to prior studies' limited molecular and taxonomic sampling, and plastome evolution remains largely unexplored. Moreover, the taxonomy of genera such as Girardinia has only been reliant on traditional taxonomy for establishing species boundaries. In fact, most of the problems surrounding the delimitation of Girardinia are due to the lack of a clear and consistent morphological character that can be used to delimit species within the genus. In this study, genome skimming datasets, namely whole plastome and nuclear ribosomal DNA (nrDNA, 18S-ITS1-5.8S-ITS2-26S), were employed to investigate the plastome structural evolution of the tribe Urticeae, the molecular phylogeny of the tribe, as well as provide insights on the species delimitation of the complex genus Girardinia. Generally, understanding the evolutionary context and species delimitation issues concerning the tribe Urticeae is important for taxonomic purposes, molecular marker discovery, germplasm conservation, species utilization, etc. The main results and conclusions of the study were summarized as follows: 1. Plastome Structural Variation of Tribe Urticeae (family Urticaceae) A total of 57 unique plastome accessions of Urticeae were analyzed to detect the plastome structural variations that have occurred within the tribe. Details of the 57 unique plastomes were determined, including their size, structure (SC and IR regions), protein coding (PCG) and other (tRNA and rRNA) genes, and GC content. The study detected that Urticeae plastomes exhibit the tetrad structure typical of angiosperms, with sizes ranging from 145 to 161 kb and encoding a set of 110 to 112 unique genes. The studied plastomes have also undergone several structural variations, including inverted repeat (IR) expansions and contractions; inversion of the trnN-GUU gene, which is a synapomorphy of the Dendrocnide Laportea decumana-Discocnide clade, except for the clade’s basal species, Discocnide mexicana; losses of the rps19 gene and the rpl2 intron; and the proliferation of multiple repeat types. Eleven hypervariable regions that could be potentially used as DNA barcodes in future studies of this group were also identified. These kinds of variations are usually quite beneficial for studies focused on taxonomy, molecular marker discovery, population genetics, and phylogeny. 2. Molecular Phylogeny of Tribe Urticeae To address the concerns regarding the unresolved Urticeae phylogenetic relationships..............................
语种	英语
	2022-05
学位授予单位	中国科学院大学
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.kib.ac.cn/handle/151853/75209
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	CATHERINE AKINYI OGOMA. 荨麻族的分子系统发育、叶绿体基因组演化及其大蝎子草属的物种界定研究[D]. 中国科学院大学,2022.

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CATHERINE AKINYI OGO（11839KB）	学位论文		限制开放	CC BY-NC-SA	请求全文