生命之树共生固氮植物支系重要类群的起源、分化和环境制约

在被子植物572个科中，目前仅发现10科具有共生固氮作用。本项目将固氮植物及其近缘类群（即共生固氮植物支系）作为研究对象，从叶绿体、线粒体和核三个基因组中选择多个基因测序，基于这些基因的DNA序列变异来重建共生固氮植物支系的系统发育关系。贯穿于本项目的学术思路，即分子、形态和地球生物学的整合研究，体现了地球科学和生物学研究相互交叉、渗透的发展趋势。通过多基因组的分子数据、广义形态学数据和地球生物学数据叠加分析，推测固氮植物支系重要类群的起源、分异，以及各固氮类群在地史时期演化和分布格局与地球环境演变间的关系，从而探讨被子植物关键类群起源、分化和环境制约。本项目的实施，将有助于推动我国生物学和地球科学的交叉和融合。由于固氮支系植物在农业、花卉、瓜果和蔬菜生产方面的重要性，有关研究不仅可以为固氮作用的起源和人工固氮研究提供理论基础，而且在国家生态和社会、经济的可持续发展方面也具有重要现实意义。

本项目拟对固氮分支开展以下三个方面的研究：1，共生固氮植物支系中重要类群的系统发育重建；2，共生固氮支系中重要类群分异时间的估计；3，共生固氮植物支系中重要类群的化石记录与起源、分化的环境制约。针对研究目标，项目组利用固氮分支3个目30科1006属1006种植物的样品，3个叶绿体基因片段重建了固氮分支的系统发育树，并利用11个化石标定点，估算分异时间。结果显示，与放线菌共生的生活型起源于白垩纪中期（100 Ma），经历了11次独立起源；最早与根瘤菌共生的类群起源于古新世早期（65 Ma），经历了两次独立起源，在豆科植物演化过程中又经历了多次丢失。利用多个核基因和叶绿体基因片段，项目组还对固氮分支内的蔷薇目、葫芦目、壳斗目、菜豆类，以及胡桃科、大麻科和荨麻科进行了系统发育重建，对重要支系的分化时间和环境制约进行了分析。结果表明，固氮类群的多样化式样可能是受全球氮元素平衡的制约。项目组已顺利完成项目所需研究内容，达到了预期的研究目标，初步阐明了固氮植物支系重要类群的起源、分异，以及各固氮类群在地史时期演化和分布格局与地球环境演变间的关系。相关成果也可以为固氮作用的起源和人工固氮研究提供理论基础。