中國科學院昆明植物研究所
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昆明植物所在異型花柱植物交配系統演變研究中取得重要進展

文章來源:中國科學院東亞生物多樣性和生物地理學重點實驗室、中國西南野生生物種質資源庫  |  發布時間:2020-08-10  |  作者:王昕嘉,周偉  |  瀏覽次數:  |  【打印】 【關閉

 

  異交向自交的轉變通常被認為是被子植物交配系統演變的整體趨勢。在被子植物中,約有10-15%的物種呈高度自交,已有的研究證據表明這些星散分布的自交物種多數是從其異交的祖先類群中經過多次獨立分化而來。為何自交譜系和自交物種在近交衰退與遺傳負荷上升、遺傳多樣性與進化適應力下降等不利因素的影響下依然能從諸多異交類群中脫穎而出,但為何在較長的進化時間尺度上,自交譜系和自交物種又呈現出相對一致的進化盲端(Dead end)現象?早在上個世紀中葉,這些問題已成為繁殖進化生物學領域關注的焦點,至今卻仍有諸多核心的問題懸而未解。近年來,DNA測序技術的迅猛發展為探究被子植物交配系統演變的分子進化機制提供了全新的技術框架和解決思路。 

  中國科學院昆明植物研究所植物多樣性與基因組學大團隊李德銖研究組和植物多樣性演化和生態適應大團隊王紅研究組多年來關注異型花柱植物種群生態學和進化遺傳學研究,逐步發展了具異型花柱的滇丁香屬(Luculia)、報春花屬(Primula)等日趨成熟的研究模式,該團隊周偉副研究員等針對交配系統演化及其生態和遺傳效應等熱點問題持續開展了精細的研究,取得了一系列重要的研究成果,包括異型花柱物種單態種群的起源(Zhou et al., 2012;Molecular Ecology)、異型花柱物種多態性結構穩定性機制(Zhou et al., 2015; New Phytologist)、異型花柱植物自交譜系的發生途徑(Zhou et al., 2017; New Phytologist)和異型花柱類群自交譜系的獨立起源過程(Zhong et al., 2019;New Phytologist)等。 

  最近,該研究團隊選取報春花屬為研究對象,借助該類群內單基因突變(柱頭高度決定基因CYP734A50)誘發同型花柱發生的特殊機制,充分利用同型花柱起源與交配系統轉變同步發生的特性,針對不同轉變時間尺度下的組學數據,種間選擇60個葉綠體基因組和12個轉錄組,種內使用12個葉綠體基因組和13個轉錄組,采用PAML替代速率分析、MK檢驗和DFE-α選擇強度與適應性進化分析,深入解析了交配系統由異交向自交轉變的遺傳和分子進化效應。研究表明,在異型花柱類群中伴隨著同型花柱的出現和自交的發生,近期衍生的自交物種呈現明顯的基因組自交綜合征(Genomic selfing syndrome):蛋白編碼區內核苷酸遺傳多樣性及雜合度顯著降低;種間分異(dN/dS)及種下多態(πN/πS)位點上均呈現更高的非同義/同義替代速率,暗示自交物種在近中性突變位點(0 < Nes < 1)上受到相對低效的負選擇作用;而極度有害突變(Nes > 100)比例下降則預示清除效應在自交物種中更為明顯;自交物種的適應性進化速率(ωα)呈現下降趨勢。 

  該研究首次在不同進化時間尺度上檢測到異型花柱植物類群的基因組自交綜合征發育信號。更加有趣的是,這些遺傳綜合征的結果同樣存在于相對近期分化的中甸燈臺報春(Primula chungensis)自交譜系分支,而該物種的自交譜系甚至還沒有發育出表型自交綜合征。該研究首次發現交配系統轉變過程中遺傳與表型綜合征的理論建成順序,這些重要發現為植物交配系統轉變在基因組水平上的遺傳和分子進化效應提供了充分且詳實的證據。  

  研究成果以“The Genomic Selfing Syndrome Accompanies the Evolutionary Breakdown of Heterostyly”為題在國際分子進化生物學領域頂級期刊Molecular Biology and Evolution在線發表。博士研究生王昕嘉為論文第一作者,王紅研究員和周偉副研究員為共同通訊作者。該研究得到中國科學院戰略性先導科技專項(XDB31000000)、國家自然科學基金項目(31971394,3177041731570384)、云南省云嶺學者項目(YLXL20170001)和中國科學院西部之光”A類等的資助。 

  文章鏈接  

1 報春花屬(Primula)二型花柱與同型花柱物種交配系統轉變的分子進化分析模型及相關研究結果。 

(責任編輯:李雪)

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