论文部分内容阅读
广义锦葵科（Malvaceae sensu lato,s.l.）是锦葵目（Malvales Juss.ex Bercht.＆J.Presl）中最大的科,广泛分布于温带和热带地区。分子系统学支持广义锦葵科为单系。广义锦葵科包含9个亚科:锦葵亚科（Malvoideae Burnett）、木棉亚科（Bombacoideae Burnett）、非洲芙蓉亚科（Dombeyoideae Beilschm）、椴亚科（Tilioideae Arn）、杯萼椴亚科（Brownlowioideae Burrett）、梧桐亚科（Sterculioideae Burnett）、山芝麻亚科（Helicteroideae（Schott＆Endl.）Meisn）、刺果藤亚科（Byttnerioideae Burnett）和扁担杆亚科（Grewioideae Dippel）。广义锦葵科植物种类繁多,包含243个属,超过4225个物种,地理分布较广,取样困难,前人大部分研究取样较少、使用的分子片段较少,亚科之间的系统发育关系仍然存在争议。为了解决这些关系并探索广义锦葵科（Malvaceae Juss.）的质体基因组进化,本研究对广义锦葵科8个亚科17属共计32种植物（其中17种来自Gen Bank）进行取样,其中柄翅果属（Burretiodendron Rehder）、一担柴属（Colona Cav.）、扁担杆属（Grewia L.）和梵天花属（Urena Dill.ex L.）4属物种的质体基因组为首次报道。加上来自龙脑香科（Dipterocarpaceae Blume）、瑞香科（Thymelaeaceae Juss.）、十字花目（Brassicales Bromhead）、腺椒树目（Huerteales Doweld）、无患子目（Sapindales Juss.ex Bercht.＆J.Presl）的外类群,本文共计45个样本的质体基因组数据。主要结果如下:（1）广义锦葵科的质体基因组具有典型的陆生被子植物质体基因组四分体结构;广义锦葵科8个亚科的质体基因组,在基因组大小、GC含量等基因组特征和结构上较为一致,除去反向重复a区中重复的基因,共发现78个蛋白质编码基因、30个t RNA基因和4个r RNA基因,共112个基因。另外广义锦葵科的质体基因组结构演化相对停滞,但反向重复区的边界有所波动:ycf1的5’端,在反向重复区扩展到约1,000 bp,目前仅在黄槿（Hibiscus tiliaceus L.）,海滨木槿（Hibiscus hamabo Siebold＆Zucc.）,台湾芙蓉（Hibiscus taiwanensis S.Y.Hu）,咖啡黄葵（Abelmoschus esculentus（L.）Moench）,梵天花（Urena procumbens L.）,火桐（Firmiana colorata（Roxb.）R.Br.）以及梧桐（Firmiana simplex（L.）W.Wight）等7个种中出现。总的来说,广义锦葵科植物的质体基因组序列具有较小的序列差异性,发现了4个核苷酸多样性最高的多态性热点（clp P,ycf1,ndh D-ccs A,rps19-rpl2）,这些区域可作为广义锦葵科物种鉴定和系统发育关系的潜在DNA条形码。本研究确定了9个具有正选择证据的编码序列（acc D,clp P,ndh C,ndh F,rbc L,rpl22,rps12,ycf1 and ycf2）。这些正选择的基因可能在锦葵科植物适应不同环境的能力中发挥了关键作用。（2）除了反向重复区的数据集外,质体全基因组、质体全基因组删除9个具有正向选择位点的蛋白质编码基因区、78个共同的蛋白质编码基因、非编码区、大单拷贝区、小单拷贝区等6组数据集单独构建的系统发育树,均表明8个亚科都是单系。与前人的研究一致,我们的结果也表明广义锦葵科分为两大分支Byttneriina和Malvadendrina:Byttneriina包括刺果藤亚科和扁担杆亚科;Malvadendrina包括锦葵亚科,木棉亚科,非洲芙蓉亚科,椴亚科,梧桐亚科,山芝麻亚科。其中锦葵亚科和木棉亚科聚成一支,山芝麻亚科单独位于Malvadendrina的基部。同时表明梧桐亚科（Sterculioideae）,非洲芙蓉亚科（Dombeyoideae）和椴亚科（Tilioideae）这3个亚科间的系统发育关系尚未得到很好的解决。其中基于78个编码蛋白基因联合构建的系统树在解决广义锦葵科的系统发育上最好,主要分支节点的支持率都很高,有力地支持了锦葵科、瑞香科（Thymelaeaceae Juss.）和龙脑香科（Dipterocarpaceae Blume）的单系,以及广义锦葵科的主要亚科的单系。本研究中唯独缺少了杯萼椴亚科。（3）基于编码序列的系统发育树,利用广义锦葵科的1个化石点和二次标定点以及外类群的一个化石点,重建了广义锦葵科的物种分化时间。结果表明,广义锦葵科8个亚科的干群年龄在44.06–68.45 Ma（millions of years ago,百万年前）之间;广义锦葵科亚科的多样性时间为50.14–75.08 Ma,可追溯到晚白垩世和早始新世,当时正值全球变暖时期。另外广义锦葵科干群年龄约为111.55 Ma,广义锦葵科的冠群年龄为74.69 Ma,可追溯到白垩纪晚期。两大分支Byttneriina和Malvadendrina各自的冠群时间分别为:51.86 Ma和68.45 Ma;其中（Sterculioidae,（Tilioidae,Domabeyoideae））与（Malvorieae,Bombacoideae）的共同祖先冠群年龄为65.38 Ma,Malvorieae与Bombacoideae的分化时间约为61.41 Ma。温带椴亚科的干群可追溯到始新世中期（44.06 Ma）,这一亚科的分化可能与始新世早期开始的气候降温所引起的温带气候扩散有关。综上,本研究首次利用质体基因组系统发育基因组学的手段从科及目水平上构建广义锦葵科8个亚科间的关系,初步形成了该科的系统发育框架,并估计了广义锦葵科及亚科的干群及冠群时间,另外,发现了4个潜在的潜在DNA条形码以及9个可能与该科适应环境有关的具有正选择位点的基因,为今后对该科的深入研究奠定了基础。然而,这里的系统发育关系能否与核基因组数据相吻合,还有待进一步研究。