復旦大學生科院在薔薇科系統發育與果實演化研究中取得重要進展

2017年3月1日，國際進化生物學頂級期刊《Molecular Biology and Evolution》以封面文章形式刊登馬紅教授團隊的研究成果：Evolution of Rosaceae Fruit Types Based on Nuclear Phylogeny in the Context of Geological Times and Genome Duplication。該研究重建了薔薇科的系統發育關係，提出了薔薇科不同類型果實的演化歷史，並揭示了基因組加倍與果實演化之間的聯繫。《Molecular Biology and Evolution》的編輯撰文 The Fruits of Life: Rose Family Study Leads to New Understanding of Fruit Diversity across Geological Eras and Climates，被《Science》主編的網站 EurekAlert-AAAS 評論並推薦。

被子植物的果實形態種類極其豐富，包括多種乾果，如穎果（水稻、小麥）、瘦果（向日葵）、角果（油菜）、莢果（豆類）等，和各種肉果，如漿果（番茄、葡萄）、核果（棗）、瓠果（西瓜、黃瓜）、柑果（柑橘類）等等。在被子植物各個科中，薔薇科的果實種類最多，有 8 種不同類型的果實，例如肉質的梨果（蘋果、梨、山楂和枇杷）與核果（桃、李、杏和櫻桃），還有乾果如瘦果（如委陵菜），此外還有一些複雜的果實類型，如聚合小核果（如樹莓、黑莓）、聚合瘦果（如草莓、月季和金櫻子）以及蓇葖果（如綉線菊）。薔薇科果實類型多樣，在研究果實演化方面具有顯著的優勢。

薔薇科是被子植物十大科之一，包括約 100 個屬和 3000 個種。常見的果樹和觀賞植物, 如桃、李、梨、蘋果、草莓、玫瑰、梅花、綉線菊等都屬於薔薇科。該科包括草本、灌木和喬木，為鳥類、哺乳類、昆蟲等動物提供了食物與棲息環境，是陸地生態系統的重要組成部分。近年來，桃、李、蘋果、梨、草莓等已完成基因組測序，顯著促進該科的相關研究。許多薔薇科的研究，尤其是研究果實演化，都需要基於清晰的系統發育關係。然而，由於目前的系統發育研究主要基於有限的形態學信息與少數細胞器基因，科內眾多族、屬之間的關係尚不清晰，亟待解決。

馬紅教授課題組利用二代測序技術，新獲得了 123 個物種的轉錄組序列，其中包括 115 個薔薇科物種，覆蓋了薔薇科所有的族與絕大部分的多種屬，代表了該科超過 98% 的物種。經過一系列生物信息學分析，篩選出多個低拷貝直系同源基因的基因集，獲得了薔薇科各亞科、族、屬之間高度支持的系統發育關係，與之前研究提出的系統發育關係具有一致性，並解決了之前不清晰的地方。

基於高支持的薔薇科系統發育樹，後續研究進行了果實演化的祖征分析，提出薔薇科祖先的果實很可能是多心皮的乾果，科內不同類型的肉質果實（如蘋果、桃、草莓、樹莓）有多次獨立起源，在演化歷史中具有心皮數量減少、心皮聯合、子房下陷的趨勢。分子鐘分析結果表明，薔薇科起源於白堊紀早期，大約一億二千萬年前。進一步的基因組加倍分析顯示，薔薇科經歷了多次全基因組重複，所產生的新基因可能進化出與果實發育相關的新功能。特別注意的是，蘋果族和桃族的祖先在早期均經歷了至少一次全基因組重複，可能促進了這兩個族的物種多樣性。薔薇科的肉質果實被動物食用和採集，從而增加種子的擴散，進一步提高了相關類群的生物多樣性。

復旦大學 2013 級大學部生項耶子和我校青年副研究員黃建勛博士為此文的共同第一作者，遺傳工程國家重點實驗室、遺傳與發育協同創新中心的馬紅教授與黃岡師範學院生命科學學院的項俊教授為文章的共同通訊作者。該研究獲得了國家自然科學基金委、復旦大學遺傳工程國家重點實驗室、復旦大學大學部生望道項目、生命科學學院大學部生拔尖人才項目的共同資助。

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