A nuclear phylogenomic tree of grasses (Poaceae) recovers current classification despite gene tree incongruence

IF 8.3 1区生物学 Q1 PLANT SCIENCES

New Phytologist Pub Date : 2024-11-20 DOI:10.1111/nph.20263

Grass Phylogeny Working Group III

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尽管基因树不一致，禾本科植物（Poaceae）的核系统发生树仍能恢复当前分类

导言禾本科植物（Poaceae）拥有 791 个属近 11 800 个物种（Soreng 等人，2022 年），是最大的植物科之一，也是对人类最重要的植物科之一。禾本科植物包括主要粮食作物水稻、玉米和小麦，纤维来源和建筑材料（如芦苇和竹子），以及生物燃料作物（如甘蔗和switchgrass）。全球大部分陆地表面都覆盖着以草为主的生态系统，草通过调节火灾和食草动物对生产力、养分循环和植被结构产生影响（Edwards 等人，2010 年；Bond，2016 年）。禾本科植物也是世界上危害最大的农业杂草（Holm 等人，1977 年）和入侵植物（Linder 等人，2018 年）。了解这一重要植物类群的功能多样化、适应性和新型作物育种需要对其进化关系有扎实的了解。揭示禾本科植物系统发育历史的努力一直伴随着新技术和分析工具的发展，从形态学的支系分析开始（如 Campbell & Kellogg, 1987）。几乎在核苷酸测序成为可能的同时，它就被用于研究禾本科植物（rRNA 测序，Hamby & Zimmer，1988 年；叶绿体 DNA，Clark 等人，1995 年），并根据已知的形态和分类对结果进行解释。此后，又有数百篇论文利用核酸（最近的是 DNA）来评估所有分类级别的草类系统发育，并将细胞中所有三个基因组（质粒、线粒体和核）的信息整合在一起。这些工作由两个主要的系统发育分析--草系统发育工作组I（GPWG，2001年）和GPWG II（2012年）--来完成，全科的分类（Kellogg，2015年；Soreng等人，2022年）也得益于这些分析和许多其他详细的系统发育分析。草系统发育的主要轮廓现已为人所知数十年，并得到不断积累的数据的证实，主要世系被认定为亚科（Kellogg，2015年；Soreng等人，2022年）。禾本科最早的分化产生了三个连续的支系，即 Anomochlooideae、Pharoideae 和 Puelioideae，每个支系都只有几个物种。然而，在这三个支系分化之后，剩下的禾本科植物产生了两个姐妹支系，即 BOP 支系和 PACMAD 支系，这两个支系各自成为一个物种丰富的支系，并有几个强大的亚支系。这一坚固的系统发育框架反映在强大的亚科分类中，亚科又分为同样强大的支系。近年来，人们的注意力主要转移到部落、亚部落和属之间的关系上。异源多倍体在禾本科中很普遍，特别是在亲缘关系很近的种和属之间，据估计多达 80% 的物种是最近才起源的多倍体（Stebbins，1985 年）。教科书上的例子是面包小麦（Triticum aestivum）及其原始的一年生祖先，其历史是在 20 世纪上半叶利用细胞遗传学工具确定的（Kihara，1982 年；Tsunewaki，2018 年）。核苷酸序列数据验证了小麦的杂交起源，进而表明网状进化是整个三叶草科的常态（Feldman & Levy, 2023; Mason-Gamer & White, 2024）。我们还了解到，Bambusoideae 的四个主要支系中有三个支系起源于异源多倍体（Triplett 等人，2014 年；Guo 等人，2019 年；Chalopin 等人，2021 年；Ma 等人，2024 年），Andropogoneae 中至少三分之一的物种也是如此（Estep 等人，2014 年）。在 Alloteropsis semialata（Dunning 等人，2019 年）和整个科的一些基因组（Hibdige 等人，2021 年）中也证明了大规模的横向基因转移，但目前仍不清楚这种基因交换有多普遍。在基因组时代，与禾本科系统发育相关的数据不断积累，但模式并不均衡。最近的一些主要研究基于质体基因组（Saarela 等人，2018 年；Gallaher 等人，2022 年；Hu 等人，2023 年）或大部分核基因组（Huang 等人，2022 年）推断出了家族树。此外，目前已有大量禾本科植物的全基因组组装，主要是针对那些已被深入研究过的类群，如主要农作物及其同源物，包括水稻（Wang & Han, 2022）、玉米（Hufford 等人, 2021）、小麦（Walkowiak 等人, 2020）和甘蔗（Healey 等人, 2024）等。与此同时，一些属和许多种除了学名和一般形态外几乎仍不为人所知。虽然这些鲜为人知的类群可能在主要的植物标本馆中有所体现，但新鲜材料可能难以获得，从而削弱了利用系统发生组学技术对草类生命树进行全面采样的尝试。

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New Phytologist 生物-植物科学

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期刊介绍： New Phytologist is an international electronic journal published 24 times a year. It is owned by the New Phytologist Foundation, a non-profit-making charitable organization dedicated to promoting plant science. The journal publishes excellent, novel, rigorous, and timely research and scholarship in plant science and its applications. The articles cover topics in five sections: Physiology & Development, Environment, Interaction, Evolution, and Transformative Plant Biotechnology. These sections encompass intracellular processes, global environmental change, and encourage cross-disciplinary approaches. The journal recognizes the use of techniques from molecular and cell biology, functional genomics, modeling, and system-based approaches in plant science. Abstracting and Indexing Information for New Phytologist includes Academic Search, AgBiotech News & Information, Agroforestry Abstracts, Biochemistry & Biophysics Citation Index, Botanical Pesticides, CAB Abstracts®, Environment Index, Global Health, and Plant Breeding Abstracts, and others.