揭开向日葵的秘密：发现花朵对称性的多种起源
根据一项新分析，向日葵家族树显示，花朵对称性在这个大植物家族的成员中独立进化了多次，这一过程被称为趋同进化。由宾夕法尼亚州立大学生物学家领导的研究小组解析了家族树中更多较细的分支，深入了解了向日葵家族（包括紫苑花、雏菊和莴苣、洋蓟等粮食作物）是如何进化的。
《植物通讯》杂志在线发表了一篇描述分析和发现的论文，研究人员表示这可能有助于识别有用的特性，从而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的特征的独立进化，例如鸟类和蝙蝠的翅膀，”宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院生物学教授、研究小组负责人 Hong Ma 说道。“这使得通过比较两个物种的特征来确定它们之间的关系有多密切变得困难，因此，根据DNA序列建立详细的家谱对于了解这些特征如何以及何时进化至关重要。”
向日葵家族谱系的进展
例如，向日葵花盘实际上是由多朵小得多的花组成的复合体。虽然花盘通常是径向对称的——它可以像海星或馅饼一样在多个方向上分成两个相等的部分——但单个花朵可以具有不同的对称形式。根据这项新研究，双侧对称——只有一条线将花朵分成两个相等的部分——在进化史上在向日葵中独立进化和消失多次。研究人员发现，这种趋同进化可能与花调控基因 CYC2 的拷贝数和表达模式的变化有关。
研究人员解释道，近年来，许多相关物种的家谱都是通过广泛使用转录组构建的。转录组是物种所表达的几乎所有基因的遗传序列。与物种的高质量全基因组序列相比，转录组更容易获取，但制备起来仍然困难且成本高昂，而且需要新鲜的植物样本。为了增加可供比较的物种数量，该团队转向了低覆盖率基因组序列，这些序列是通过一种称为基因组浏览的过程生成的，相对便宜且易于制备，即使是从干燥的植物样本中制备也是如此。
研究团队结合了公开的和新生成的转录组，以及大量新获得的基因组，对向日葵科中 16 个亚科、41 个族和 144 个亚族级群体的 706 个物种进行了研究。亚科是该科的主要分支，而族和亚族可以包含一个或多个属，属是物种之上的分类级别。
“之前版本的向日葵家族树已经建立了大多数亚科和许多族之间的关系，相当于一棵树的主要分支，”马说。“随着样本量的增加，我们能够在亚族和属的层面上解决更多的小分支和细枝。这种更高分辨率的家族树使我们能够重建花朵对称性等特征的进化时间和地点，表明双侧对称性一定是独立进化了很多次。”
分子见解和未来方向
研究小组还研究了向日葵花朵发育基因的分子进化。他们发现，这些基因之一 CYC2 在每个物种的基因组中都有多个拷贝，在具有双侧对称花朵的物种中被激活，这表明它可能是这种性状趋同进化的分子基础的一部分。为了进一步验证这一点，研究小组进行了实验，以量化具有不同对称类型的物种花朵中 CYC2 基因的表达。
“我们的分析表明 CYC2 表达与花对称性之间存在明确的关系，这表明这些基因在不同向日葵物种中的使用方式变化可能与该家族中观察到的趋同进化有关，”马说。“向日葵家族是两个最大的开花植物家族之一，包含超过 28,000 个物种，包括许多具有经济价值的农业和园艺物种。了解这些物种之间的关系使我们能够确定它们的特征是如何以及何时进化的。这些知识还可用于识别有用的特征，这些特征可以从密切相关的野生物种中培育成驯化物种。”
除了马教授以外，研究团队成员还包括宾夕法尼亚州立大学的张国金；中国昆明植物研究所的杨俊波、蔡杰、张志荣和高连明；中国武汉植物园和中非联合研究中心的张彩飞；中国北京植物多样性与经济作物国家重点实验室的焦博涵和高天刚；以及德克萨斯大学奥斯汀分校的 Jose L. Panero。
这项研究得到了宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院和哈克生命科学研究所、中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院大型科学设施和中国国家自然科学基金的资助。
