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Nature重磅 | 历时9年,全球规模最大,超过1100种植物转录组被测序,绿色植物10亿年的进化秘密被揭示

2019-10-25 1906藻类被子植物

绿色植物(Viridiplantae)包括约450,000–500,000个物种,具有很大的多样性,在陆地和水生生态系统中具有重要作用。

2019年10月23日,由华大基因领衔的一千个植物转录组联盟在Nature在线发表了题为“A Phylogenomic Viewof Evolutionary Complexity in Green Plants”的植物物种进化研究成果。来自世界各地的近200名植物科学家组成的国际联盟,历时9年时间,研究发布了1178种植物转录组测序成果,这些植物跨越了绿色植物的多样性,包括绿色植物(Viridiplantae),青藻(Glaucophyta)和红藻(Rhodophyta)以及31种植物基因组。该研究为检查绿色植物的进化提供了一个强大的系统生物学框架。高质量植物基因组序列的可用性不断提高以及功能基因组学的进步,使人们能够在整个生命之树上进行基因组进化的研究。

千种植物转录组计划(1KP)是一项全球合作,旨在研究自始于绿藻到开花植物,整个绿色植物,超过10亿年以来植物物种的基因和基因组的多样性的科学计划。1KP于2008年11月在全球范围内发起,采用了由全球植物学家收集样本,华大测序,数据开放共享的研究模式1KP的数据存储于深圳国家基因库生命大数据平台(China National GeneBank DataBase, CNGBdb)。基于此,国家基因库构建了1KP数据库,提供免费查询、下载以及在线Blast服务。数据库资源均可通过CNGBdb官网(https://db.cngb.org/onekp/)进行访问并免费使用。

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绿色植物由50多万种物种组成,经历大约10亿年的进化过程,在所有陆地及许多水生生态系统中发挥着基础性作用。在生命之树中,万物间相互联系。完成超过1000种植物转录组测序,对于理解生命之树如何工作,研究物种间的关系尤为重要。佛罗里达大学Pam Soltis教授表示:1KP提供的关于进化关系的观点,引发了关于绿色植物关键节点和进化过程起源的新假设。

该研究是前所未有的对整个绿色植物界的所有主要亚群了采样,产生了代表1178个物种的1342个转录组测序数据,并阐明了复杂的植物生物体,分子和功能多样化进化模式。研究发现在距今约十亿年前,绿藻分化为两大分支,一支包括了现存的开花植物、其它陆地植物和它们近缘的绿藻,另一支则包括了种类丰富的其它绿藻,植物在进化过程中存在不断的创新和间断的快速演化。

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研究还揭示了全基因组重复的时间以及基因家族的起源,扩展和收缩,这些基因家族为基础遗传创新做出了突出的贡献,从而使绿藻、苔藓、蕨类、裸子植物、开花植物和所有其他绿色植物得以进化,有助于我们理解植物何时获得长高的能力,以及产生种子、花朵和果实,为理解地球上的植物多样性(包括一年生作物和多年生林木物种)提供了基础。通过对来自广泛植物物种的基因进行测序和分析,研究人员能够更好地重建所有作物和模式植物物种祖先中的基因种类,并获得更完整的基因图谱和基因组重复图谱,从而对这些物种的进化历史产生新的认识。

近20年的植物基因组研究表明,全基因组复制(whole-genome duplication, WGD)在植物基因组中广泛存在,是推动植物进化的重要事件。WGD亦称古多倍化,使植物基因组快速重组,丢失大量基因,增加结构变异,对植物进化及多样性有极其重要的作用。本研究中,ASTRAL系统发育关系中全基因组重复(WGD)的推断,显示它们在整个绿色植物分支上的分布不均匀。

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比较基因重复事件分布和直向同源分歧时间以及Multi-taxon古多倍体搜索,在整个绿色植物系统进化树上鉴定出244个推定的古老WGD,其中,种子植物基本平均有4轮WGD并且可以追溯到距今3亿年前,在蕨类植物也能找到多次WGD事件(如图)。这些假定的古多倍化事件中近150个先前没有被发现。除了大多数的卷柏和一些地衣植物以外,至少有一个古老的WGD是在所有陆地植物所共有。相反,大多数绿藻?叶绿素和链霉菌藻类以及绿藻和红藻谱系没有显示WGD的迹象。有意思的是,陆地植物的姐妹群(Zygnematophyceae表现出藻类谱系中WGD的密度最高。

该研究激发了科学家群体的努力,以在全球范围内收集和测序陆生和水生生境的多种植物谱系。超过100名生物分类专家从野外和标本馆馆藏中收集了材料,其中包括德国科隆大学藻类培养中心、英国皇家植物园—邱园、亚特兰大植物园、纽约植物园、中科院华南植物园、深圳市仙湖植物园、中国海洋大学等。

参考信息:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1693-2

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