编译：YQ，编辑：夏甘草、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
导读
形态变异是物种进化过程响应环境变化的对策。例如被子植物广泛进化的沿树干生长的攀爬习性，从而在空间竞争（植物遮阴的不利条件）下获取光合生物量。这类植物的重要形态特征是抱茎卷须，具有叶状卷须的攀援植物包括菊科、豆科、紫葳科、罂粟科，具有茎卷须的攀援植物包括葫芦科、无患子科、夹竹桃科。葫芦科植物包括黄瓜（Cucumis sativus）、甜瓜（Cucumis melo）、冬瓜（Benincasa hispida）、西瓜（Citrullus lanatus）、南瓜（Cucurbita pepo）、苦瓜（Momordica charantia），可作为研究茎卷须系统发育的分子机制的模式植物。葫芦的茎卷须有无分支和有分支两种形式，果实多为浆果、蒴果、翅果。根据卷须特征、果实类型、花粉结构分为130属。染色体、线粒体、叶绿体基因组均揭示了葫芦科系统发育的分子标记，并重新分为95-97属。随基因测序的发展，基于基因组和转录组的系统发育分析更清晰地解决物种进化过程，目前葫芦科基因组共12个，含括8个属。本研究基于127个葫芦科基因组和转录组，重建葫芦科系统发育，包括8个明显分支。通过系统转录组揭示了全基因组复制事件，以及基因间的共线性。15个原始基因组的物种形态特征揭示了卷须、花、果实的进化，以及全基因组复制发生于条件恶劣的白垩纪-古第三纪及第三纪下层。本研究表明全基因组复制事件是促进物种多样性的重要因素，全基因组复制及关键形态变异的协同作用在葫芦科植物进化过程发挥重要作用。原名：Phylotranscriptomics in Cucurbitaceae Reveal Multiple Whole-Genome Duplications and Key Morphological and Molecular Innovations译名：系统发育转录组揭示葫芦科全基因组复制及关键形态变异DOI号：10.1016/j.molp.2020.05.011① 基因组及转录组测序。选取的葫芦科植物包括葫芦目、蔷薇目、豆目、壳斗目、金虎尾目。CTAB法提取叶片组织DNA，试剂盒法提取幼苗组织RNA。进行Illumina全基因组及转录组测序，进行de novo组装。② 同源基因鉴定。对16个差异较大的全基因组进行BLASTP比对，OrthoMCL识别同源基因。基于这1503个同源基因，在其余所有基因组进行同源搜寻，筛选出核心基因共258个。③ 系统发育分析。基于葫芦科的138个数据集和同源物种（团扇叶秋海棠、四数木）构建系统发育树，估算物种分化年代，通过基因树与物种树的比对定位基因组复制事件。④ 变异分析。使用MCScan分析基因组共线性，对高拷贝基因进行功能注释和GO富集。R MEDUSA分析物种分化速率，将物种分化利用形态特征变化描述。本研究对122个样品转录组测序，5个样品全基因组测序，以及9个数据库获取的转录组数据，共136个样本，覆盖了葫芦科90%的物种，共45个属。更具基因的物种覆盖度划分6组同源基因（分别包括1181、942、737、460、258个基因），分别构建系统发育树，结果显示发育树间有高度一致性（图1）。高分辨率系统发育树表明葫芦科分为8个主要分支，最早分化的分枝Ⅰ由合子草族和藏瓜族组成，可分为3个细分支。分枝Ⅱ由翅子瓜族和豆薯瓜族组成，分枝Ⅲ由藏瓜族和赤瓟族组成。连续分枝Ⅳ-Ⅵ分别由罗汉果族、苦瓜族、凹槽南瓜族组成。分枝Ⅶ中裂瓜亚族和泻根族属于姊妹族，分枝Ⅷ中冬瓜族和狒狒瓜族聚合。然而，先前质体基因组的研究结果表明南瓜族与冬瓜族聚类，与本研究结果不同。这可能是质体与细胞核基因遗传的差异导致。在本研究系统发育模型中，一些形态特征的相似性进一步支持了这种关系。例如，藏瓜族和赤瓟族的宽卵形叶片，叶端短而尖，雌雄异体，种子卵形且浅缘；冬瓜族和南瓜族产生网状三胚芽花粉，染色体数目12-14。藏瓜族中，棒锤瓜属是首要分支，绞股蓝属是雪胆属和棒瓜属的姊妹属。翅子瓜族中，睡布袋属是碧雷鼓属和史葫芦属的姊妹属。南瓜族中，飘带蓬壶属和龙蓬壶属与其他属显著分离。冬瓜族中，垂果瓜属分离，紧接红瓜属与毒瓜属。
图1 葫芦科植物的系统发育树。该系统发育分析基于6个核心基因数据集，节点的颜色体现不同发育树结果的一致性：红色表5个以上发育树具有一致性，蓝色表5个以下发育树一致性而相似性>90%，黑色表其余一致性。SC（裂瓜族），BR（泻根族），JO（凹槽南瓜族），MO（苦瓜族），SI（罗汉果族），TH（赤瓟族），IN（藏瓜族），ZA（翅子瓜族），TR（豆薯瓜族），AC（合子草族）。图片依次为黄瓜、香瓜、冬瓜、茅瓜、葫芦、西瓜、红瓜、南瓜、臭瓜、蛇瓜、金瓜、佛手瓜、小雀瓜、大果海棠、丝瓜、裂瓜、喷瓜、Telfairia pedata、观赏苦瓜、罗汉果、球果赤瓟、绞股蓝、雪胆、棒槌瓜、合子草、刺儿瓜。为获得葫芦科进化的时间尺度，以160个物种（包括136个葫芦科和24个近源物种）的258个基因进化树为基础，使用贝叶斯方法估算散度时间。如时间图所示（图2），葫芦科起源可追溯到~80百万年（Ma）前。分枝Ⅰ出现于~76.7Ma，10Ma后出现其他分枝，分枝Ⅱ出现于~65.7Ma，其余分枝在~64.4Ma分化。两个物种丰富的演化枝Ⅶ和Ⅷ的分化在始新世中期（~42Ma），而分枝Ⅶ和Ⅷ几乎同时分化（~39.8Ma和~39Ma）。为提高对葫芦科进化史的理解，本研究寻找全基因组复制事件（WGD）。在20023个基因树中，发现了4个WGD（称为CucWGD1-CucWGD4）（图3）。在起源初期，葫芦科出现一次大规模基因复制（CucWGD1，1053个重复基因），产生大量旁系同源基因的同义替换，包括冬瓜族黄瓜属、西瓜属、葫芦属、冬瓜属，南瓜族南瓜属，该事件早于核心真双子叶植物分支γ事件，追溯至~90Ma。分枝Ⅷ在分化初期出现一次全基因组复制事件（CucWGD2，590个重复基因），分枝Ⅶ罗汉果族的5个属出现全基因组复制（CucWGD3，896个重复基因），分枝Ⅰ棒瓜族雪胆属出现另一全基因组复制（CucWGD4，748个重复基因）。为验证WGD事件，本研究根据8个CucWGD1和CucWGD2事件的基因组，探究其重复基因位置。结果表明冬瓜族和南瓜族的基因组以共线形式检测到CucWGD1事件（图4A），南瓜族南瓜属的共线区域也检测到CucWGD2的基因重复（图4B）。总的来说，葫芦科的祖先可能是一个多倍体生物，南瓜族、罗汉果族、棒瓜族雪胆属经过第二次全基因组复制事件（CucWGD2）而分化。通过对每个基因复制事件的重复基因进行GO富集（图5），显示细胞分裂和运动（包括核内体和细胞骨架）和碳水化合物/次生代谢过程。这表明细胞分裂与代谢相关的功能基因对葫芦科进化有益。
图2 葫芦科植物进化时序图。A：过去65Ma的全球气候曲线，EECO（早期气候最温暖时期），MECO（始新世中期气候适宜期），MMCO（中新世中期气候适宜期），ETM1/2（古新世-始新世最大热期）。B：葫芦科谱系图，红线表示物种多样化率（物种/万年）。C：葫芦科系统发育时序图，红色虚线表陆相白垩纪-古近纪地层界线，L-Cretaceous（晚白垩世），Pale（古新世），P（上新世），Q（第四纪）。
图3 葫芦科基因组的全基因组复制事件。深蓝色条是物种多倍化，红点数字显示大规模基因重复事件，及其重复基因数量。
图4 葫芦科冬瓜族和南瓜族基因组共现性比较重复基因及其定位。
图5 葫芦科全基因组复制事件的重复基因GO富集。圆圈大小表该功能类别的重复基因比例，颜色表富集显著性水平。根据葫芦科的系统发育分析，发现15种形态特征的祖先状态。而对于8个性状（习性、茎、叶、果实大小、种子附属物、性系统、花对称性、柱头数）在系统发育的主干上没有显著过渡。在早期历史中，草本茎和木质茎作为祖先性状的概率是相等的。草本茎可作为分枝Ⅰ、分枝Ⅶ、分枝Ⅷ的树冠祖先。雄蕊数、花粉大小、花柱数这三个性状在分枝Ⅴ-Ⅷ的系统发育过程中发生转变。祖先雄蕊数目为5，在分枝Ⅳ分化后减少并维持在3。祖先花粉粒为中等大小（25-50mm），但分枝Ⅴ-Ⅷ分化后花粉粒变大（50-100mm）。Ⅱ-Ⅳ分枝的祖先可能有3个花柱，而分枝Ⅴ-Ⅷ的祖先可能是1个花柱，但在透骨瓜属时返回到3个花柱。有4个性状（卷须、果实类型、根、花瓣颜色）在目前葫芦科中高度多样化，其进化模式复杂。卷须是葫芦科植物的分类学特征，可分为单枝和分枝，带有卷曲基部的分枝卷须是葫芦科的祖先状态，在分枝Ⅴ-Ⅷ发生变化（图6）。此外，果实是另一最常见形态特征，葫芦科果实是一种特殊浆果，具有坚韧果皮。黄瓜、甜瓜、西瓜、南瓜果皮不开裂，而苦瓜和丝瓜果实开裂，成熟时释放种子。少数物种为干果类型，如蒴果和翅果。因此，本研究将果实分为蒴果、浆果、开裂果、不开裂果、翅果，重建果实类型演化历史。结果表明蒴果是原始果实类型，在分枝Ⅲ-Ⅷ起源处果实类型转变为肉质不裂的果型，分枝Ⅳ分化后果实进化为开裂的翅果，而在分枝Ⅷ中恢复为不开裂的翅果。葫芦科的卷须被认为是茎/芽进化而来，研究表明黄瓜卷须形成需要基因TEN，该基因编码一个TCP CYC/TB1家族转录因子，在腋生分生组织发育成花或侧枝以及调节花的对称中发挥作用。基于黄瓜、甜瓜、西瓜基因组的TEN序列，本研究识别了22种TEN同源基因。从TEN基因的系统发育分析显示了两个重复事件，在5个基因组中发现位于共现区域（图7）。
图7 卷须基因TEN的进化模式。A：TEN同源基因树（粉色背景）和其他TCP基因家族成员（灰色背景）系统发育分析。B：TEN在基因组共线性重复区域的拷贝。本研究报道了高分辨率的葫芦科系统发育分析，其进化过程可清晰地从花、果实、茎中显现。葫芦科的一个主要适应策略是利用卷须爬升到达冠层，以最小能量增加光合作用、授粉和种子传播。卷须基因TEN的出现及基因重复可能促进物种的形态变异。本研究明确了葫芦科植物的系统发育进程，为研究物种进化与比较提供基础。物种分化时间、全基因组复制、形态变异都与地质剧变高度吻合。因此，全基因组复制事件与关键形态变异促进了葫芦科在剧烈环境变化下的进化。攀缘植物沿其他植物向上生长到达冠层进行光合作用的能力是一种关键创新。本研究通过127个基因组/转录组测序数据，建立了一个强大的葫芦科系统发育，包括8个高度分化的分枝。通过全基因组复制事件的分析，结合祖先形态分析，发现葫芦科在花、果、根等性状的进化和关键变异。试验结论表明葫芦科的进化由基因多倍化及古气候剧变下性状突变而驱动。本研究为后续的葫芦科进化研究提供一个完整的系统发育框架，为关键形态变异提供新见解。
更多推荐
1 高分综述 | Trends in Biotechnology: 单细胞分辨率下利用空间转录组揭示器官分子结构（国人佳作）
