向日葵基因组解开“对称花”的多重起源

　　

向日葵的特点和魅力无处不在。首先，向日葵的形态美观，花朵大而艳丽，花盘追随太阳转动，呈现出强烈的对称性。其次，向日葵的实用价值不容忽视。除了能作为观赏植物外，向日葵的籽粒可以被用来制作美味的食品，如烤瓜子、炒瓜子等。此外，向日葵籽粒中还含有大量的蛋白质、脂肪和维生素，对人体健康大有裨益。

人们对向日葵的研究由来已久。早在19世纪，达尔文就对向日葵的向光性进行了深入研究。他发现，向日葵的祖先并没有追随太阳的习性，但为了更好地生长和繁殖，它们逐渐演化出了这种奇妙的特性。科学家们也对向日葵的花盘进行了研究，发现它们是由上千朵小花组成的。这些小花的花序排列成一个明显的螺旋形状，这种排列方式有助于吸引昆虫传播花粉。

一项新的向日葵家谱揭示了花的对称性是多次独立进化的。向日葵科两侧花分对称或不对称。菊花和黄花蒿是来自同一部落的近缘种，前者有两侧对称的花(射线)，后者没有。来自向日葵部落的Rudbeckia hirta有两侧对称的花朵，而来自Eupatorieae部落的Eupatorium chinense没有，这两个部落是密切相关的群体。

根据一项新的分析，向日葵家族树揭示了花的对称性在这个大型植物家族成员之间多次独立进化，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决了更多的家庭树的精细分支，为向日葵家族-包括紫菀，雏菊和生菜和洋蓟等粮食作物-如何进化提供了见解。

一篇描述分析和发现的论文发表在《Plant Communication》杂志的网站上，研究人员说，这可能有助于确定有用的性状，以选择性地培育具有更理想特征的植物。

“趋同进化描述的是不同物种似乎具有相同特征的独立进化，比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、植物生殖发育和进化哈克主席Hong Ma说。“这可能会使通过比较它们的特征来确定两个物种的亲缘关系有多密切变得困难，因此基于DNA序列的详细家谱对于理解这些特征是如何以及何时进化的至关重要。”

向日葵宗谱研究进展

例如，向日葵的花头实际上是由多个小得多的花组成的综合体。虽然花朵的头部通常呈放射状对称——它可以像海星或馅饼一样在多个方向上分成相等的两半——但单个花朵可以有不同的对称形式。根据这项新的研究，在向日葵的进化史上，两侧对称——只有一条线将花分成相等的两半——已经进化并独立地失去了多次。研究人员发现，这种趋同进化可能与花调节基因CYC2的拷贝数和表达模式的变化有关。

研究人员解释说，近年来，通过广泛使用转录组来建立一组相关物种的许多家谱，转录组是一个物种表达的基本上所有基因的基因序列。转录组比高质量的物种全基因组序列更容易获得，但制备仍然困难且昂贵，并且需要新鲜的植物样本。为了增加可用于比较的物种数量，研究小组转向了低覆盖率的基因组序列，这是通过一种称为基因组撇脂的过程产生的，相对便宜且易于制备，即使是从干燥的植物样本中制备。

“为了获得一个物种准确的全基因组序列，它的DNA字母表的每个字母必须被读取或覆盖多次，以尽量减少错误，”Ma说。“为了建立家谱，我们在这篇论文中表明，我们可以使用较低覆盖率的基因组序列。这使我们能够增加我们分析中的物种数量，这反过来又使我们能够解决向日葵家族树上更多的细分支。”

该团队使用了公开可用的转录组和新生成的转录组，以及大量新获得的skimmed基因组，总共706个物种，来自向日葵家族的16个亚科，41个部落和144个亚部落水平群体的代表。亚科是科的主要分支，而部落和亚部落可以包含一个或多个属，这是仅次于种的分类水平。

Ma说:“以前的向日葵家谱已经建立了大多数亚科和许多部落之间的关系，这相当于一棵树的主要分支。随着样本量的增加，我们能够在亚部落和属水平上解决更多较小的分支和细枝。这个更高分辨率的树使我们能够重建像花对称这样的特征是在何时何地进化的，这表明两侧对称一定是独立进化了很多次。”

分子的见解和未来的方向

研究小组还研究了与向日葵花朵发育有关的基因的分子进化。他们发现，其中一个基因CYC2在每个物种的基因组中都有多个拷贝，在花朵两侧对称的物种中被激活，这表明它可能是这种特征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，量化了CYC2基因在不同对称性物种花中的表达。

Ma教授说:“我们的分析表明，CYC2的表达和花的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使用的变化可能与该家族中观察到的趋同进化有关。向日葵科是最大的两个开花植物科之一，有超过28,000种，包括许多具有重要经济意义的农业和园艺物种。了解这些物种是如何相互关联的，可以让我们确定它们的特征是如何以及何时进化的。这些知识也可以用来识别有用的特征，这些特征可以从密切相关的野生物种繁殖成驯化物种。”

参考文献:“Nuclear phylogenomics of Asteraceae with increased sampling provides new insights into convergent morphological and molecular evolution” by Guojin Zhang, Junbo Yang, Caifei Zhang, Bohan Jiao, Jose L. Panero, Jie Cai, Zhi-Rong Zhang, Lian-Ming Gao, Tiangang Gao and Hong Ma, 25 February 2024, Plant Communications.