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叶绿体基因组序列的进化分析揭示了蔷薇科独特的进化历程以及果用樱桃的独立起源

花匠小妙招
2024-09-16 04:18

2021年11月19日，樱桃资源四川省科技资源共享服务平台发表了题为“Evolution of Rosaceae Plastomes Highlights Unique Cerasus Diversification and Independent Origins of Fruiting Cherry"（叶绿体基因组序列的进化分析揭示了蔷薇科独特的进化历程以及果用樱桃的独立起源）的研究论文。

结论：蔷薇科包含了最为重要的果树、观赏植物和木材类园艺植物。在此次研究中，课题组从头测序并拼接了121个蔷薇科物种的叶绿体基因组，涵盖了来自12个属、54个不同的物种。通过全基因组范围的比较分析，发现了在叶绿体基因组的两个反向重复单元中存在的大范围的序列变异，蛋白编码基因中存在超过50%的同义突变位点，核果类和仁果类存在较大的分化。而樱属植物拥有独特的进化特征。系统进化时序分析揭示了樱属植物与其他近缘的材料间存在明显的分化特征，强烈支持将樱属植物中除矮生樱以外的其他材料单系群材料独立出来建属的植物学分类方法。同时，结果也揭示了果用樱桃与其他的樱属材料分化较大的现象。结合不同材料的地理分布情况，提出了栽培类型的中国樱桃起源于龙门山地震带和喜马拉雅和横断山脉东脊的观点，并提出，该材料诞生后与同一分布区域的其他野生祖先或近缘物种发生了高频率的遗传交流（杂交渐渗），从而构成了我国现有栽培中国樱桃的遗传基础。

研究背景：

蔷薇科包含超过3000个不同的物种，构成我园艺产业中主要的果树、观赏植物以及重要的木材用材料的来源。这些物种广泛分布于北半球的温带到亚热带地区。尤其是其中的果树类型占了果用生产植物的80%以上。这些物种包含了我们常见的果树分类类群，如仁果（苹果、梨为代表）、核果（桃、杏、李为代表）、浆果（草莓、树莓）。按照现有植物学的分类，这些材料都集中在桃亚科中的苹果和桃族中。

樱类植物是蔷薇科中具有经济价值的一类，可以根据利用类型分为果用樱桃，包括中国樱桃，欧洲甜樱桃、毛樱桃和酸樱桃；以及观赏类包括东京樱花、山樱花，钟花樱桃，高盆樱桃。包含的物种约150种。自然分布范围在亚洲、欧洲和北美洲的温带地区。多样性比较丰富的区域主要分布在秦岭、云贵高原和喜马拉雅山脉一带。按照国内的分类标准，樱类植物主要可以分为真樱和矮生樱两种类型。樱类本身的分类存在争议，一部分分类学家认为，樱类应该独立成为属，而也有学者认为樱类植物应该是广义的李属中的一部分。

中国樱桃和欧洲甜樱桃是利用的樱类植物中最常见的两种类型，在当前我国的乡村振兴中有很好的应用。前者果实风味浓郁，但果小不耐储运，后者果实大耐储运。自上世纪70年代欧洲甜樱桃引入我国以来，栽培的面积以及范围越来越大，在我国西南地区也广为栽培，但对温度要求较高，和野生樱类植物的分布有部分重叠。中国樱桃原产我国，在乡村和地方品种中特色明显，适应能力都较引入品种表现更大的优势。为了更好地改进和选育新材料，理解和掌握他们的起源和驯化过程对我们都是有好处的。目前，樱类植物的地理起源以及驯化和扩散过程仍然是不明确的，甚至樱类植物中的一些材料之间的关系都没有确切的研究，比如中国樱桃和欧洲甜樱桃在历史上有无相互关系至今没有答案。

叶绿体基因组作为母系遗传的质体类型之一，没有受到基因组重组的影响，编码蛋白相对保守，而非编码区的变异能够反应进化过程中留下的一些历史痕迹。目前的研究也发现了他们蕴涵丰富的单碱基变异、简单重复序列变异以及插入缺失等信息，能够为我们开展研究提供足够的信息。

因此本研究对91个没有报道过的樱类材料进行了叶绿体基因组的拼接，同时也下载了公共数据库中的已经报道的蔷薇科物种叶绿体基因组序列，一共124个全基因组进行了分析。

主要结果：

1）所有的叶绿体基因组（27个樱类和矮生樱类材料，包括2个栽培品种，共91个个体）都表现出相似的特性：GC含量约37%，典型的大单拷贝和小单拷贝区，由两个方向重复序列隔开。编码了132个基因。其中包含87个编码蛋白的基因，37个tRNA和8个rRNA基因。绝大部分基因在基因组上线性排列，只有少数基因之间的位置有重叠，比如matK和trnU-UUU之间，ycf1片段和ndhF之间。psbC和psbD序列之间存在的53bp的重叠在所有的蔷薇科物种和蔷薇目物种中是保守的。

图1 研究组装的叶绿体基因组图谱

2）总体上，叶绿体基因组的大小在所测物种之间变异较大。其中蔷薇亚科物种的叶绿体比桃亚科的材料叶绿体基因组小，其小单拷贝区的rps19基因和atpF基因相比小800-1000bp，该区域的大小与整个叶绿体基因组大小之间存在显著的相关性。同时反向重复的两个重复区段的长度也发生了明显的改变。蔷薇亚科材料在这个区域存在明显的收缩。与其他属相比，樱亚属与矮生樱亚属中大单拷贝、小单拷贝以及反相重复区的变异较梨属、苹果属变异范围更大。不仅如此，在反向重复区和单拷贝区的交接处发现了更多的序列变异。

3）通过全基因组的序列比对，鉴定了SNP和插入缺失突变。大部分的序列变异存在于基因间区以及内含子区。总共检测到了6745个插入缺失位点和20817个SNP变异位点。这些变异点中，分贝1439个和2464个位点在不同的材料中不止一种变异（多态性）。插入的突变比缺失突变更多一些，而碱基替代中T到C的突变类型最多。在桃亚科的材料中，绝大部分都是G突变为T，T突变为C，G突变为A，并且比苹果亚科要多得多。樱亚属中G到T的突变要更多一些，并且与樱属近缘的其他樱属材料不同。同样的SSR位点也主要分布在基因间区和内含子区，以A/T单碱基重复最多。平均下来，每3000个碱基内会有一个重复位点。

4）这些突变带来的基因功能影响方面，只有635个插入缺失以及9290个SNP会对蛋白氨基酸带来影响。9290个SNP变异中，同义突变（氨基酸不发生变化）的有5404个，在不同分类的材料中，同义突变比上非同义突变的个数比值大约阿紫0.98-1.5这个范围内，即便是发生了氨基酸的变化，绝大部分都不会对蛋白功能带来大的影响。只有18个在基因编码蛋白的第一个密码子和最后终止密码子附近发生的插入缺失可能会导致蛋白功能的突变。

5）编码基因的选择压力分析发现，78个基因中有11个基因，他们分别是3个自我复制相关的基因，5个光合作用的基因，以及accD和另外两个未知功能的基因受到了明显的正选择（突变有利于积累）。ndhF, rpoA, rps18, rbcL and ycf1这五个基因在木本的物种中受到了特异的正选择。樱亚属植物中的matK和ycf1也受到了显著的正选择。

6）基于叶绿体基因组的系统进化、分子钟定年以及蔷薇科的分化

采用不同的基因集（包括全基因组和仅变异位点、仅编码区等12个不同子集）构建了最大似然树和贝叶斯树。不同数据集得到的拓扑关系总体上是一致的。研究中所用的所有材料可以划分到4个大的进化分支上，其中A分枝包含所有的桃族的物种，B分枝只含有白鹃梅族的物种，C分枝包含来自于绣线菊和苹果族，D分枝含有3个族的物种。

图2 中国樱桃及近缘物种分化分子钟定年

从图中可以看出，A分枝可以进一步分为3个亚类，其中Prunus hypoleuca, P. serotina, and P. padus构成了基部类群。矮生樱亚属的物种与李组、桃组、杏组的物种一起构成了第二个亚类。所有的典型樱亚属材料构成了独立的进化类群。

通过BEAST2软件的节点标记定年的方法，用已经报道过的蔷薇科物种的化石时间信息，以GTR为先验核酸替代模型，物种生灭按照非自相关松弛分子钟模型，化石节点年龄按对数正态分布条件下，获得了苹果亚科和桃亚科的分歧时间为67.31百万年前。典型樱亚属的物种与近源樱属植物的分歧时间在28.21百万年前。而欧洲甜樱桃与广泛种植的中国樱桃之间的分化发生在8.48百万年前。栽培中国樱桃的诞生时间很短，与野生种的分化发生在0.05-0.83百万年范围内。

最后，我们还分析了果用樱桃群体的遗传分化指数（遗传距离）。毛樱桃是与其他几个物种分化最远的物种。中国樱桃群体与欧洲甜樱桃群体的遗传距离（0.002）和遗传分化指数（0.728）中等。他们各自都有较多的变异位点，之间共有的突变位点也是所有组合中相对较少的，也就意味这两者之间分化久远并且缺乏基因交流。

根据以上的这些结果，我们绘制了栽培中国樱桃的起源和驯化模式图（图3）。大约在8.48百万年，欧洲甜樱桃与中国樱桃的祖先种发生分化，并各自积累不同的变异。前者分布于欧洲，后者分布于龙门山地震带秦岭一线。约7.18百万年前，产生了欧洲甜樱桃物种。约5.96百万年前诞生了中国樱桃栽培种和野生种的共同祖先，直到0.05-0.83百万年，栽培中国樱桃开始被驯化。但分布在同一个地区，两者之间仍存在广泛的基因交流。