新的向日葵家谱揭示了花朵对称的多重起源

根据一项新的分析，向日葵家谱表明，在这个大植物家族的成员中，花的对称性独立进化了多次，这一过程称为趋同进化。由宾夕法尼亚州立大学生物学家领导的研究小组解决了家谱中更多更细的分支，深入了解向日葵家族(包括紫苑、雏菊和生菜和朝鲜蓟等粮食作物)的进化过程。

一篇描述分析和发现的论文发表在《植物通讯》杂志上，研究人员表示，这可能有助于识别有用的性状，以选择性地培育具有更理想特性的植物。

“趋同进化描述了不同物种中看似相同特征的独立进化，例如鸟类和蝙蝠的翅膀，”哈克植物生殖发育和进化主席、埃伯利科学院生物学教授马洪说。宾夕法尼亚州立大学和研究小组的领导者。“这使得通过比较两个物种的性状来确定它们的亲缘关系变得困难，因此基于DNA序列建立详细的家谱对于了解这些性状如何以及何时进化至关重要。”

例如，向日葵头实际上是由多个小得多的花朵组成的复合体。虽然头部通常是径向对称的(它可以像海星或馅饼一样在多个方向上分成两个相等的两半)，但各个花朵可以具有不同形式的对称性。根据这项新研究，向日葵的双边对称性(只有一条线将花分成相等的两半)在进化史上已经多次独立进化和消失。研究人员发现，这种趋同进化很可能与花调控基因CYC2的拷贝数和表达模式的变化有关。

研究人员解释说，近年来，通过广泛使用转录组建立了一组相关物种的许多家谱，转录组是一个物种表达的基本上所有基因的遗传序列。转录组比物种的高质量全基因组序列更容易获得，但制备仍然困难且成本高昂，并且需要新鲜的植物样本。为了增加可用于比较的物种数量，该团队转向低覆盖率的基因组序列，这些序列是通过称为基因组撇脂的过程产生的，并且相对便宜且易于制备，甚至可以从干燥的植物样本中制备。

马说：“为了获得一个物种准确的全基因组序列，必须多次读取或覆盖其DNA字母表中的每个字母，以最大限度地减少错误。”“为了构建家谱，我们在本文中表明，我们可以使用较低覆盖率的基因组序列。这使我们能够增加分析中的物种数量，从而使我们能够解析更多更精细的物种。向日葵家谱上的分支。”

该团队结合使用公开的和新生成的转录组，以及大量新获得的脱脂基因组，对来自向日葵科16个亚科、41个部落和144个亚部落级群体的代表的总共706个物种进行了分析。亚科是科的主要细分，而部落和亚部落可以包含一个或多个属，这是略高于物种的分类级别。

“以前版本的向日葵家谱已经建立了大多数亚科和许多部落之间的关系，相当于一棵树的主干，”马说。“随着样本量的增加，我们能够在亚族和属级别上解析更多较小的分支和细枝。这种更高分辨率的树使我们能够重建花对称等性状进化的地点和时间，这表明双边对称性必须具有独立进化了很多次。”

研究小组还研究了向日葵花朵发育相关基因的分子进化。他们发现，其中一个基因CYC2在每个物种的基因组中都有多个拷贝，在具有两侧对称花的物种中被激活，这表明它可能是该性状趋同进化的分子基础的一部分。为了进一步测试这一点，研究小组进行了实验来量化具有不同对称类型的物种的花中CYC2基因的表达。

Ma说：“我们的分析显示CYC2表达与花对称性之间存在明确的关系，这表明这些基因在各种向日葵物种中使用方式的变化可能与在该家族中观察到的趋同进化有关。”“向日葵科是开花植物的两个最大科之一，包含超过28,000个物种，包括许多经济上重要的农业和园艺物种。了解这些物种之间的关系使我们能够确定它们的性状如何以及何时进化。这些知识还可以用来识别有用的特征，这些特征可以从密切相关的野生物种培育成驯化物种。”

除马云外，该研究团队还包括宾夕法尼亚州立大学的张国金;中国昆明市昆明植物研究所的杨俊波、蔡杰、张志荣和高连明;张彩飞，中国武汉植物园和中非联合研究中心;焦博涵和高天罡，中国北京植物多样性与特种作物国家重点实验室;和德克萨斯大学奥斯汀分校的JoseL.Panero。

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