​向日葵新家谱揭示花朵对称的多重起源

向日葵新家谱揭示花朵对称的多重起源

一个新的向日葵家族树揭示了花的对称性独立进化了多次。

向日葵科的一种，具有或不具有双侧花对称性。

菊花（左上）和青蒿（右上）是来自同一部落的亲缘关系密切的物种；前者有两侧对称的花（射线），而后者没有。

向日葵部落的Rudbeckia hirta（左下）有两侧对称的花，而Eupatorieae部落的Eupatorium chinense（右下）没有；这两个部落是密切相关的群体。

向日葵（中心）的花朵两侧对称（外排的大花瓣状花朵），没有对称（内排的小花）。

uux.cn/张国进，马实验室，宾夕法尼亚州立大学据宾夕法尼亚州立大学（Sam Sholtis）：根据一项新的分析，向日葵家族树揭示了花对称性在这个大型植物家族的成员中独立进化多次，这一过程被称为趋同进化。

由宾夕法尼亚州立大学的一位生物学家领导的研究小组解析了家谱中更多更精细的分支，深入了解了向日葵家族——包括紫苑、雏菊以及生菜和洋蓟等粮食作物——是如何进化的。

一篇描述分析和发现的论文发表在《植物通讯》杂志上，研究人员表示，这篇论文可能有助于识别有用的性状，从而选择性地培育出更理想的植物。

聚合进化描述了不同物种中看似相同特征的独立进化，比如鸟类和蝙蝠的翅膀，宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院生物学教授、Huck植物繁殖发展与进化主席、研究团队负责人马说。

这可能会使人们很难通过比较两个物种的特征来确定它们的亲缘关系有多密切，因此，基于DNA序列的详细家谱对于了解这些特征是如何以及何时进化的至关重要。

例如，向日葵头实际上是由多个小得多的花组成的复合体。

虽然头部通常是径向对称的——它可以像海星或馅饼一样在多个方向上分成两半——但单个花朵可以有不同形式的对称。

根据这项新的研究，在进化史上，向日葵的双侧对称性——只有一条线将花分成两半——已经进化并多次独立消失。

研究人员发现，这种趋同进化可能与花调控基因CYC2的拷贝数和表达模式的变化有关。

研究人员解释说，近年来，通过广泛使用转录组建立了一组相关物种的许多家谱，转录组是一个物种表达的基本上所有基因的遗传序列。

转录组比一个物种的高质量全基因组序列更容易获得，但制备仍然困难且成本高昂，并且需要新鲜的植物样本。

为了增加可供比较的物种数量，研究小组转向了低覆盖率的基因组序列，这些序列是通过一种称为基因组撇除的过程产生的，相对便宜且易于制备，即使是从干燥的植物样本中制备。

马说：为了获得一个物种的准确全基因组序列，必须多次读取或覆盖其DNA字母表中的每个字母，以最大限度地减少错误。

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为了构建家谱，我们在这篇论文中表明，我们可以使用覆盖率较低的基因组序列。

这使我们能够增加分析中的物种数量，进而使我们能够解析向日葵家谱上更多更精细的分支。

该团队使用了公开可用的和新生成的转录组的组合，以及大量新获得的脱脂基因组，共有706个物种，代表来自向日葵科的16个亚科、41个部落和144个亚族。

亚科是科的主要分支，而部落和亚族可以包含一个或多个属，这是物种之上的分类级别。

马说：以前版本的向日葵家谱已经建立了大多数亚科和许多部落之间的关系，这些亚科和部落相当于一棵树的主要分支。

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随着样本量的增加，我们能够在亚种和属的水平上分辨出更多较小的树枝和细枝。

这棵分辨率更高的树使我们能够重建花朵对称等特征在何时何地进化，这表明双侧对称一定是独立进化了很多次的。

该团队还研究了向日葵花发育相关基因的分子进化。

他们发现，其中一个基因CYC2在每个物种的基因组中都有多个拷贝，在花两侧对称的物种中被激活，这表明它可能是这种特征趋同进化的分子基础的一部分。

为了进一步验证这一点，该团队进行了实验，以量化CYC2基因在不同对称类型物种花朵中的表达。

马说：我们的分析表明，CYC2的表达与花的对称性之间有着明确的关系，这表明这些基因在各种向日葵物种中的使用方式的变化可能与该家族中观察到的趋同进化有关。

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向日葵科是最大的两个开花植物科之一，共有28000多个物种，其中包括许多具有重要经济意义的农业和园艺物种。

了解这些物种之间的亲缘关系，使我们能够确定它们的特征是如何以及何时进化的。

这些知识还可以用于从亲缘关系密切的野生物种中识别出有用的特征，这些特征可以培育成驯化物种。

除了马，研究团队还包括宾夕法尼亚州立大学的张国进；杨俊波、蔡洁、张志荣和高连明在昆明植物研究所；张彩飞在武汉植物园和中国武汉的中非联合研究中心；焦伯涵、高天刚在北京植物多样性与特种作物国家重点实验室；和得克萨斯大学奥斯汀分校的Jose L.Panero。