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《昆明植物所在茶树的分子物种界定研究中取得新进展》

  • 来源专题：生物育种
  • 编译者： 季雪婧
  • 发布时间：2024-04-26

  •     作物野生近缘种是指与作物遗传关系较近的植物类群，是宝贵的植物遗传资源，对于改良作物品种、提高作物的产量和质量具有十分重要的意义。茶是我国重要的木本经济作物之一，广义上的茶树指山茶属茶组（Camellia?sect.?Thea）的全部物种，是极其宝贵的遗传种质资源，对于拓宽茶树栽培品种的遗传基础、改良品种、创制新品种具有重要作用。茶组植物在建立之初仅有2种，后续主要的分类系统如Sealy、张宏达和闵天禄系统认为茶组分别包含5种1变种、32种4变种和12种6变种。自《中国植物志》英文版出版之后，仍不断有茶组新分类群被相继发表，反映了茶树的物种多样性仍未被充分认识。虽然学者们对茶组的分类研究已逾百年，积累了丰富的形态识别经验，但对茶组到底包含了多少物种仍未达成共识，其物种鉴定、种间界限仍然存在一定程度的混乱，限制了野生茶树资源的开发利用和茶相关产业的长足发展。因此，有必要结合除形态以外的其它学科证据对其进行物种界定的研究。

        中国科学院昆明植物研究所“东亚特征植物分类与系统演化”专题组与云南大学和美国密西西比州立大学等多位学者合作，利用叶绿体基因组数据对39个山茶属茶组形态物种（图1）共计165个个体进行物种界定分析，重新评估了山茶属茶组中基于形态特征划分物种的合理性，并进一步探索了该组植物的物种多样性。基于上述数据，利用三种启发式物种界定方法（ASAP、PTP、mPTP），识别与形态物种定义相似的分子可操作分类单元（MOTU，molecular operational taxonomic unit）。研究结果与基于形态特征的物种划分并不完全吻合，但是在单系分类群中，MOTU?划分和形态物种的匹配率得到了提高。另外，基于不同方法得到的分子物种界定结果存在较大差异。通过引入形态特征、地理分布、单系三个标准进行综合评估，最终将39个茶组形态物种划分为28个一致OTU（Consensus OTU），即11个（28%）基于形态特征界定的物种得不到分子证据的支持。另外，有10个一致OTU包含了难以解析的形态物种复合群，需要结合更多证据进行深入研究（图2）。研究还揭示了28个一致OTU之间的分子鉴别特征（Molecular diagnostic characters），有望在未来应用于茶树的分子鉴定。该研究为深入识别茶树植物的种间界限迈出了坚实的一步，为这一具有重要经济意义的植物类群的合理利用和保护提供了理论框架。

        研究成果以Species delimitation of tea plants (Camellia?sect.?Thea) based on super-barcodes为题发表在植物学领域专业期刊BMC Plant Biology上。中国科学院昆明植物研究所已毕业硕士研究生蒋银子和杨俊波正高级工程师为论文共同第一作者，余香琴副研究员、向春雷研究员和杨世雄副研究员为论文通讯作者。

        研究得到了国家自然科学基金、中国科学院“青年创新促进会”会员及云南省“兴滇英才支持计划”青年人才专项等项目的资助。昆明植物研究所彭华研究员、刘杰副研究员、贺正山博士、云南大学赵建立副研究员和美国密西西比州立大学Ryan A. Folk博士等参与了该研究。

  • 原文来源：http://www.kib.cas.cn/xwzx/kyjz/202404/t20240403_7067912.html
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  • 《昆明植物所在旧世界热带木本竹类起源和形态性状演化研究中取得新进展》
    • 来源专题：生物育种
    • 编译者：季雪婧
    • 发布时间：2024-09-04
    •     竹类植物是竹亚科（Bambusoideae）植物的统称，与早熟禾亚科（Poideae）（如小麦）以及稻亚科（Oryzoideae）（如水稻）共同构成BOP分支。竹亚科是禾本科物种多样性最丰富的亚科之一，共分为三个族，分别为代表草本竹类的莪利竹族（Olyreae），代表温带木本竹类的青篱竹族（Arundinarieae）和代表热带木本竹类的箣竹族（Bambuseae），其中箣竹族分为旧世界热带木本竹类（Paleotropical woody bamboos，PWB）和新世界热带木本竹类（Neotropical woody bamboos，NWB）两个分支。PWB分支约有53属560种，分布于亚洲、非洲、大洋洲的热带和亚热带地区。该分支的种类生长快速，生物量大，是重要的森林资源、优良的园林绿化和观赏植物，并具有很高的生态价值。同时，PWB也是一个形态上和适应性高度异质化的类群，能够适应多种生境并有独特且复杂的形态分化，涵盖了木本竹特有的多种形态性状，是最能体现木本竹丰富形态多样化的一个单系类群。其中包含世界上已知最大的竹种巨龙竹Dendrocalamus sinicus?L.C. Chia & J.L. Sun，其秆直径可达30cm，高可达38m；竹秆含水量最高的竹子（肉质多浆的竹子）Laobambos?calcareus?Haev.,Lamxay & D.Z. Li，以应对其自然生境的极端季节性干旱；“籐本”竹类DinochloaBuse和Sokinochloa?S. Dransf.生长在热带雨林，能够缠绕并攀爬上林中的大树；单枝竹属BoniaBalansa和TemochloaS. Dransf.能够适应石灰岩生境；梨竹属Melocanna Trin.的竹种果实肉质化明显，能够结出大如梨状的颖果等等。因此，开展对PWB分支形态性状演化的研究，有助于我们朝着最终解析竹类植物独有的生物学问题迈出重要一步，还将推动整个禾本科演化历史和适应性的研究。     由于PWB分支形态特征高度复杂，且大多种开花周期长（可达到120年），导致其花果标本常常难以获取，因此，该分支的分类大部分依据形态学特征，如：地下茎、分枝及秆箨等，但部分营养器官特征容易受到环境的影响产生较大的变异，且早期的竹子标本大多不完整。随着野外调查和采集的深入，该类群近几年仍不断有新的属、种被发现。目前，随着分子生物学的发展，越来越多的人结合经典分类学和分子生物学手段来对竹亚科进行系统学研究。由于PWB分布较广，且有很多局域分布的特有属，先前分子系统学的研究取样有限，导致其内部亚族的划分以及属间的关系仍旧混乱，在亚族和属的水平，尚有很多问题亟待澄清。此外，以前对PWB分支开展的分子系统学研究也存在一些不足，难以建立其系统发育框架并探讨该分支的起源与形态演化。     中国科学院昆明植物研究所李德铢团队在扩大取样的基础上，基于优化的简化基因组测序（MiddRAD-seq）技术，利用大量SNPs数据重建了PWB分支基于32属180个代表种（含外类群5个属的5个代表种）共208个个体取样的系统发育框架和时空演化历史，并探索了习性、花序类型和颖果类型与气候、土壤和地形等41个环境因子的关系。研究发现，PWB冠群在渐新世-中新世之交开始分化，先后形成了Melocanninae、Racemobambosinae s.l.(包括Dinochloinae，Greslanlinae，Racemobambosinae s.str.和Temburongiinae)、Hickeliinae以及Bambusinae?s.l.?(包含Bambusinae s.str.和Holttumochloinae)四个主要分支（亚族）（图1、2），其祖先具有直立的习性、续次性发生花序和基础型颖果类型，且在PWB多样化的过程中，攀缘习性、一次性发生花序、坚果型/梨果型颖果等性状经历了多次演变（图2）。这三种性状的演变都与气候、地形和土壤具有一定的相关性（图3），因此，PWB分支形态性状的演化可能受到气候、地形和土壤多因素的影响。总体来看，三个形态性状的演化与气候因子的相关性最强，其次是地形因子，与土壤因子的相关性最弱。相对而言，直立生活习性以及梨果状颖果的演化受地形因子的影响较为明显，坚果状颖果演化则主要受气候因子的影响，与土壤因子和地形因子之间的相关性非常弱。该研究还分析了影响每种形态性状演化的关键环境因子以及两者之间的关系，并预测了可能有助于不同形态性状演化的生态位特征，例如：年平均太阳辐射(Srad)\最暖季降水量(Bio18)\年平均湿润频率(Wet)与一次性发生花序的演化呈正相关，而与续次性发生花序的演化呈负相关，表明花序类型的演化可能与生态位的湿度更相关，且续次性发生花序所在生态位的土壤有机碳含量(Soc)偏高等。该研究结果首次利用大量核基因数据解析了PWB分支的系统发育框架和时空演化历史，并从多环境因子的角度探讨了形态性状的适应性演化，为深入理解整个竹亚科起源、演化以及环境适应性有重要理论价值，也为今后竹亚科乃至禾本科的生态学和进化研究提供了新的视角。     研究结果以The origin and morphological character evolution of the paleotropical woody bamboos为题近日发表在植物学综合性学术期刊Journal of Integrative Plant Biology上。中国西南野生生物种质资源库刘泾霞助理研究员为论文第一作者，李德铢研究员为论文通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目（32120103003，31970355，32300206）、云南省重点研发计划项目（202103AC100003）和云南省博士后定向培养项目的资助。
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  • 《昆明植物所在附生植物的景天酸代谢多组学研究中取得新进展》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：姜丽华
    • 发布时间：2023-02-25
    • 附生植物是热带、亚热带森林生态系统的重要组成部分，对其生物多样性和服务功能的形成与维持、特别是养分贮存和水分保持有重要作用。附生植物中存在C3和景天酸代谢（crassulacean acid metabolism，CAM）等光合类型，其中CAM也是植物高效利用水分的一种策略。兰科是种子植物中物种多样性和生态适应性最为丰富的类群之一，该科70%左右的物种为附生植物，其中附生型CAM植物占所有已知CAM植物的60%左右。在生理上，CAM植物通常表现为夜间气孔打开、固定二氧化碳（CO2），白天气孔关闭、在细胞内释放CO2，从而最大限度的减少蒸腾作用，维持植物水分含量。然而，我们对附生植物CAM光合作用的遗传和分子基础以及不同分子层级间协同调控机制的理解仍存在很大程度的未知。   2月21日，中国科学院昆明植物研究所种质资源库李德铢、朱安丹和杨俊波等团队合作在Plant Communications期刊上发表题为High-quality Cymbidium mannii genome and multifaceted regulation of crassulacean acid metabolism in epiphytes的研究论文。该研究通过解析兰科附生型CAM植物硬叶兰（Cymbidium mannii）的高质量基因组，结合高分辨率的转录组学、蛋白质组学和代谢组学数据，对附生植物CAM光合作用的遗传与分子调控机理进行了解析。   研究人员获得了硬叶兰高质量的基因组（contig N50为22.7 Mb），基因组大小为2.88 Gb（图1），其中82.8%为重复序列，这也是硬叶兰基因组较大的主要原因。重复序列中转座元件（TE）占比较大，其插入时间也与兰属物种的分化时间一致（图2），因此推测TE的爆发可能与兰属物种的快速分化有关。       研究表明，硬叶兰中很多代谢物呈现昼夜节律性振荡的变化模式，特别是CAM相关的代谢产物，如苹果酸、延胡索酸、丙酮酸等，呈现出与C3植物不同的昼夜特征，反映了附生CAM植物代谢物积累的昼夜节律性（图3）。        通过全基因组水平、昼夜多时间点的转录组和蛋白组分析发现，硬叶兰的昼夜节律性产物存在相位偏移（phase shift）的现象（图4），表明其光合代谢类型受到多层次的分子调控。CAM核心基因的表达及转录后调控分析不仅确定了固定碳源的重要候选基因（βCA和PPC），也表明了附生型的硬叶兰与地生型景天科植物伽蓝菜、白景天等类似，利用NADP-ME和PPDK途径进行脱羧反应（图5）。        由于生物钟相关基因和顺式调控元件在调节CAM通路中起着至关重要的作用，该研究还探讨了关键的生物钟基因表达模式并预测了可能的调控元件（图6），为后续更深入的功能验证奠定了基础。        中国科学院昆明植物研究所樊维姝博士和贺正山博士为共同第一作者，李德铢研究员、朱安丹研究员和杨俊波正高级工程师为共同通讯作者。昆明植物所张石宝研究员、种质资源库、种质保藏中心和分子生物学实验中心等也参与了本项目。该项目得到了中国科学院B类先导专项（XDB31000000）、云南省创新团队（202105AE160012）和国家科技基础资源调查专项（2021FY100200）等项目的资助。
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