利用单拷贝核基因重建被子植物系统发育关系的研究

被子植物分子系统学已取得了巨大进展，但某些关键类群的系统位置还存在分歧。迄今为止，只有叶绿体、线粒体和极少数核基因被用来重建被子植物系统发育关系。由于细胞核和叶绿体、线粒体的遗传方式不同，所以来自核基因的证据是必不可少的。项目申请者在前期研究中已利用SMC1基因重建了被子植物系统发育关系，结果显示基于SMC1基因和基于叶绿体基因组数据得到的结论大体一致，同时还得到了和前人明显不同的结论。由于单基因提供的信息毕竟有限，本项目拟在前期工作的基础上，继续从SMC、MCM、RAD51、MSH、MLH等核基因家族中选择15-20个核基因，尝试解决被子植物各大类群之间的关系、推测被子植物各大类群的起源时间并摸索这些基因对于低等分类阶元系统发育重建的适用性。本项目的开展不仅可以加深我们对被子植物进化过程和系统关系的认识，而且还将为植物分子系统学家提供良好的分子标记以便应用。

被子植物分子系统学已经取得巨大进展，但证据主要来自于叶绿体和线粒体，很少有研究利用核基因重建被子植物系统发育关系。但叶绿体和线粒体大都采用单亲遗传方式，与之相反，核基因继承了父母双方的遗传信息，更加完整地纪录进化历史。鉴于次，本项目利用低拷贝核基因研究被子植物各大类群之间的亲缘关系并为分子系统学家提供良好的分子标记。鉴于此，本项目主要开展了以下方面的工作。一、通过比较基因组学鉴定了1083个备选的低拷贝核基因并分析了低拷贝基因的特性；二、采集了67种植物的新鲜材料，成功提取了总RNA，并通过改良的PCR方法从67个物种中扩增得到了SMC1，SMC2，MCM5，MSH1和MLH1的基因序列，比对后的矩阵长度达到10022bp，通过不同的计算方法重建了被子植物各大类群之间的亲缘关系。我们发现，通过核基因重建的被子植物系统发育关系和前人基于叶绿体和线粒体得到的结果总体上一致，但的确存在一些明显的差异，而且某些位置的支持率为100％。表明与线粒体和叶绿体比较，核基因的确记载了不同的进化历史，所以，来自核基因方面的证据对于被子植物系统发育重建是必不可少的，以上结果发表在国际著名植物学期刊（190个植物学期刊中排名第6，2011年影响因子为6.645）New Phytologist上。三、为了向研究具体类群的分子系统学家提供便利的核基因分子标记，我们选择了进化速率较快的5个核基因（MCM5，MLH1，AT3G26730，AT2G47990和AT3G54630），并以十字花科为研究对象进行了研究。我们从13个十字花科物种中扩增得到了5个基因的序列，结合基因组已测序的5个物种，重建了十字花科大类群之间的关系。结果表明，这些基因易于扩增，而且提供的信息位点比常用的分子标记高很多（matk，rbcL等），各分支之间的支持率也很高，以上结果受约稿发表在中国自然科学核心期刊《植物分类与资源学报》上。总的来说，我们第一次大规模使用低拷贝基因重建被子植物各大类群之间的关系并得到了意想不到的结果。以上研究成果已受到同行广泛关注，有些核基因已经在其它类群中（金粟兰科、卫矛属、蜘蛛抱蛋属和鼠尾草）开始试用。