中国栎属植物和壳斗科主要属质体基因组比较分析和系统发育研究

中国栎属植物和壳斗科主要属质体基因组比较分析和系统发育

研究

壳斗科栎属(Quercus)是北半球最重要的植物类群之一,具有极大的生态及经济价值。该属包含约500个物种,主要分布在北半球的温带和(亚)热带地区。

作为物种丰富,广泛分布,长世代生长周期,广泛杂交和渐渗的植物类群,栎属系统发育研究充满挑战:基于少数质体、低拷贝核标记得到不一致的系统发育关系;缺乏高分辨率,特别是进化树基部关系。目前,基于花粉特征和细胞核分子标记,全球栎属植物系统发育框架已经建立,分为6个属下组(旧大陆

支:Cyclobalanopsis,Cerris和Ilex;新大陆支:Lobatae,Protobalanus和Quercus)。

中国作为栎属第二大物种多样性中心(包含四个

组:Cyclobalanopsis,Cerris,Ilex和Quercus),得到的相关进化研究较少。国内栎属植物的进化研究主要停留在形态学层面,分子研究相对较少。

此外,已有的绝大多数系统发育研究仅涉及栎亚属或青冈亚属,缺乏对中国栎属完整系统发育关系的研究。总的来说,之前的系统发育研究为中国栎属植物的系统关系提供了基础理解,但是,栎属属内的广泛杂交渐渗和趋同进化导致过渡形态特征的产生,这给以形态特征为依据的栎属植物分类学和系统发育学带来巨大挑战。

因此,基于分子数据探讨中国栎属植物系统发育关系必不可少。随着二代测序技术的飞速发展,质体基因组水平的数据已越来越多地应用于植物系统发育研究。

目前,已有研究显示质体基因组数据在探讨高等、低等分类群,甚至一些棘手

分类群的系统发育关系时均取得重大进展。综上所述,本论文选取质体基因组作为研究对象。

首先,本研究分别对栎属5个物种(橿子栎、匙叶栎、槲栎、锐齿槲栎和栓皮栎)以及中国Cerris组3个物种(麻栎、小叶栎和栓皮栎)的质体基因组进行一系列比较分析(如重复分析,序列分化分析,选择压分析,密码子使用分析),以提供

对栎属质体基因组的基本理解。其次,以49个栎属物种(代表中国分布的4个组)的51个完整质体基因组为研究对象,探讨中国栎属植物系统发育框架和进化历史。

最后,本研究探讨质体基因组推断壳斗科主要属的系统发育框架的有效性。本论文的主要研究结果和结论如下:1.5个栎属植物完整质体基因组比较分析利

用二代测序技术和参考指导组装(reference-guided assembly)方法获得橿子栎、匙叶栎、栓皮栎、槲栎和锐齿槲栎的完整质体基因组。

这5个质体基因组大小范围在161,072 bp(橿子栎)到161,237 bp(匙叶栎)。它们均编码134个基因,包括86个蛋白编码基因,40个t RNA基因和8个r RNA 基因。

各基因组的基因组成、顺序、GC含量均与其他公布的壳斗科质体基因组相似。该研究还分析了核苷酸替换,插入缺失和重复序列。

检测到的19个高变异区为后续栎属系统发育研究提供候选质体标记。此外,本研究还检测到4个受正选择的基因(ndh A,ndh K,pet A和ycf1)。

系统发育研究显示质体基因组构建的进化树获得相对较高的支持率,证明质体基因组可以相对有效地推断该属系统发育关系。2.极度保守的中国Cerris组

3个质体基因组:比较分析和系统发育分析栎属属下Cerris组分布在欧亚大陆,

仅包含11个物种;我国广泛分布其中的三个物种(麻栎、小叶栎和栓皮栎)。

三个中国物种完整质体基因组的比较分析结果显示该组质体基因组极度保守,保守性体现在基因组大小、基因组成、基因顺序、GC含量、IR/SC边界位置等。系统发育研究显示Cerris支插在Ilex支内,形成Cerris-Ilex支。

本研究为进化研究相对较少的Cerris组提供质体基因组数据,也为将来该

组物种形成、生物地理及系统发育等研究提供一定基础数据。3.中国栎属植物质体系统发育基因组学研究本研究首次基于质体基因组数据探讨代表中国分布的

4个栎属属下组共49个物种的系统发育框架。

质体基因组蛋白编码基因外显子数据集构建了强健的系统发育关

系:Quercus组与Lobatae组形成姐妹支,剩余3个组形成另一进化支(旧大陆支)。值得注意的是,Cyclobalanopsis组和Cerris组插在Ilex组内部,使得Ilex组

成为非单系支。

造成上述复杂结果的最可能原因是不完全谱系筛选和/或祖先类群之间的渐渗。Ilex组分为强烈支持的三支:分布在西藏的小单系支(Tibet clade);完全分布在横断山东部及其相邻地区的第二支(HDM clade);分布在中国西部及台湾的

进化支(WT clade)。

基于系统发育关系、分化时间及化石记录,我们推断Ilex组当今的分布,多样性及分化可能是对古气候和地质变化(由青藏高原和喜马拉雅-横断山脉隆升

造成)的本地性适应。4.壳斗科主要属的质体基因组比较和系统发育分析:密码子组成偏好对系统发育推断的影响对代表壳斗科6个主要属

(Quercus,Castanea,Castanopsis,Lithocarpus,Trigonobalanus和Fagus)的16个完整质体基因组进行比较分析(如重复分析,序列分化分析和密码子使用分析),

结果显示壳斗科质体基因组是高度保守的。

比较基于不同密码子位置(密码子1+2位和密码子第3位)和基因功能组数据构建的壳斗科系统发育框架,最终,密码子1+2位数据集基本恢复壳斗科主要属的系统发育关系,并获得高支持率,表明密码子组成偏好对壳斗科质体系统发育推断有很大影响。本研究不仅对壳斗科质体基因组提供基本理解,也证明质体系统发育基因组学可以有效地解决这一具有挑战性的植物类群的系统发育关系。