兰州大学刘建全组重构和比较三套基因组水平的被子植物系统发育

以下文章来源于JIPB ，作者JIPB

被子植物又名开花植物，约有30万种，是物种多样性程度最高、分布最广、适应性能力最强的植物类群，主导了地球的陆地和水生生态系统，为昆虫、两栖爬行类、鸟类和哺乳类动物的多样性提供了重要的栖息地，也为人类提供了食物、能量等多种基本生存条件 (Lughadha et al. 2016; Kress et al. 2022)。从达尔文开始，科学家就为揭示被子植物多样性研究中的核心环节––整个类群的系统发育，即各类群之间的亲缘关系，开展了各种证据的收集和多种类型的研究，但始终没有得到解决。而基因组数据被认为是重建被子植物系统发育最为关键和最有希望的证据和手段。被子植物包括三种不同遗传模式的基因组: 核基因组、叶绿体基因组和线粒体基因组，每套基因组中的部分基因或DNA片段的序列变异都被用于系统发育的建立 (Qiu et al. 1999)。近年来，也分别使用每套基因组的基因组水平的序列变异构建了被子植物主要科目的系统发育关系；但是，三套基因组中部分或代表整个基因组水平的基因序列变异构建的系统发育关系之间仍然存在较大冲突。在这些研究中，各科、目所采用的代表性物种不同，从而使研究数据和研究结果具有研究材料的不可比较性。特别是，核基因组水平的系统发育大都是采用转录组或简化基因组提取的同源序列构建，而不是依赖de novo基因组同源序列的被子植物系统发育重建。随着高通量测序技术的快速发展，已有de novo基因组的被子植物物种数量越来越多，为采用同样的代表性物种，构建三套基因组水平的系统发育，建立真正意义上的基因组被子植物系统发育 (Genome-scale angiosperm phylogeny, GAP) 提供了可能性。

JIPB近日在线发表了兰州大学生态学院刘建全研究团队题为“Genome-scale angiosperm phylogenies based on nuclear, plastome, and mitochondrial datasets”的特邀文章(https://doi.org/10.1111/jipb.1‍3455)。该研究采用de novo基因组和传统系统发育建树方法，重构和比较了三套基因组水平的基因组被子植物系统发育 (GAPs)。文章收集整理了近20年发表的366个高质量被子植物de novo基因组，包含241属、97科和43目。根据三套基因组类型的全基因组水平的序列变化，第一次将同一物种的三套基因组各自的同源序列分别用于被子植物系统发育分析，构建了真正意义上的基因组被子植物系统发育 (GAP)。与转录组或简化基因组数据相比 (如Baker et al. 2022)，de novo基因组中提取了更准确、更多的“同源”核基因序列；也避免了不同基因组比较时，使用不同物种导致的不可比较性；还将研究结果与基于更大抽样覆盖率、但只依赖一种基因组数据的结果进行了比较 (Li et al. 2019; Baker et al. 2022)。研究结果揭示了不同基因组数据系统发育冲突中的关键节点和关键类群（图1），并对其可能的原因，如不完全谱系筛选、杂交和基因组加倍导致的非直系同源基因提取等进行了讨论。同时，也使用多化石位点，基于核基因组数据建立了被子植物关键节点的时间分化框架（图2）。该研究提供了第一版的基因组被子植物系统发育，为将来基于更多物种de novo基因组建立的GAP提供了基本框架。最后，也指出未来要完全揭示被子植物系统发育关系、解决现有不同基因组数据之间的系统发育冲突，应使用共线性核基因代替传统的直系同源单、低拷贝核基因用于构建系统发育树，以及使用核基因组结构变异，即染色体核型演化等新数据、新方法等来解决目前发现的不同基因组数据的系统发育冲突问题 (Sun et al. 2022b; Wang et al. 2022)。

图1. 被子植物系统发育框架和不同分类阶元存在的核质冲突。

图2. 核基因组被子植物主要分支的时间分化

刘建全研究团队长期从事进化生物学和生态适应性研究。近年来利用基因组数据进行被子植物早期演化历史的研究，发表了一系列研究成果 (Yang et al. 2020; Ma et al. 2021; Sun et al. 2022b)；还针对使用共线性基因以及核型演化进行系统发育重建，开发了新分析软件WGDI (Sun et al. 2022a)。

兰州大学生态学院胡红印博士为第一作者，四川大学孙朋川博士和兰州大学杨勇志青年研究员为共同第一作者，刘建全教授为通讯作者。该项目得到中国科学院战略性先导科技专项 (No. XDB31000000)等项目资助，以及获得西部生态环境与区域开发大数据计算平台和兰州大学超算中心平台的计算服务支持。

转自：“iPlants”微信公众号

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