昆明植物所山茶科古杂交事件及全基因组加倍研究取得进展

山茶科隶属于被子植物菊分支杜鹃花目，共包含3族9属约300余种，该科植物多为灌木及乔木树种，具有生态和经济价值。其中，木荷属(Schima)为亚洲特有属，约含20种，该属植物多为森林建群种及乔木层优势种，以木荷为优势种且与其它典型常绿阔叶树种共同组成的“木荷林”，是我国中亚热带地区常见的常绿阔叶林类型。山茶属（Camellia）含约120种，以我国长江以南的亚热带地区为其现代分布中心，该属含有众多重要的林木种质资源，如茶（C.sinensis）是天然保健饮料之一，油茶（C. oleifera）堪称世界四大木本油料植物之一，山茶（C. japonica）及滇山茶（C. reticulata）是享誉国际的观赏花卉。针对山茶科开展植物分类、分子系统学等研究可为有效保护及合理开发利用该科优质种质资源提供科学理论依据。

中国科学院昆明植物研究所“植物分类与演化”专题攻关组围绕唇形科、山茶科、禾本科等东亚特征性成分开展植物分类学、生物地理学及进化基因组学等方面的研究。前期，攻关组副研究员余香琴利用叶绿体基因组数据构建了该科的系统发育框架，并在此基础上探讨了东亚亚热带常绿阔叶林的演化历史（Yu et al., 2017, New Phytologist），同时基于野外调查发现并报道了部分新分类群（Yu et al., 2021, Phytotaxa）。在此基础上，通过与美国、哥斯达黎加及国内多位学者合作，收集到覆盖山茶科所有3族9属的57种植物，通过转录组测序（RNA-seq）和基因组浅层测序（low-depth whole-genome sequencing），获得了57个物种的核基因转录本的数据，以GenBank中已发表数据，即来自安息香科、山矾科、五列木科等6个物种为外类群。通过分析，最终利用610个直系同源的低拷贝核基因（858606 bp）构建了山茶科的系统发育框架，同时对科内类群分化时间、网状进化及全基因组加倍事件（WGD）进行了探讨。

研究结果表明，与前期基于叶绿体基因组数据得到的族间演化关系一致，紫茎族为山茶科的基部分支，大头茶族与山茶族构成姐妹类群。紫茎族与大头茶族内部属间关系与基于叶绿体基因组得到的关系一致。关于山茶族内部，研究结合来自核基因及叶绿体基因组的证据认为，(((Apterosperma–Laplacea),Pyrenaria), (Camellia–Polyspora))是最可能的系统发育拓扑结构，但Apterosperma–Laplacea分支的位置需要今后的研究利用更多数据进一步探究。网状进化分析结果表明，山茶属内部存在2次杂交事件，北美分布的Franklinia alatamaha可能是由现今仅分布于北美及中美洲的Gordonia的祖先类群与现今仅分布于亚洲的木荷属的祖先类群杂交而来，分化时间分析将这次古杂交事件推向渐新世（Oligocene）晚期，这一时期存在的白令陆桥（Bering land bridge）可能为该洲际间的植物扩散和古杂交事件提供可能。此外，山茶族内部并没有检测到属间杂交事件，澄清了之前研究中存在的争议。对Ks峰值分析发现，山茶科在进化过程中与其它类群共享了两次WGD事件，即核心真双子叶植物共享的At-γ及核心杜鹃花目共享的Ad-β，与部分前人研究结果（e.g. Chen et al., 2020, Horticulture Research）不同，该科并没有发生自身独有的WGD事件。

相关成果以Phylotranscriptomics of Theaceae: generic-level relationships, reticulation and whole-genome duplication为题，发表在植物学领域期刊Annals of Botany上。研究得到国家自然科学基金、中科院重大科技基础设施开放研究项目、中科院青年创新促进会及“西部之光”人才引进计划等项目的支持。

论文链接

基于610个直系同源低拷贝核基因数据串联分析得到的山茶科ML树（左）及物种树（右）

基于610个直系同源低拷贝核基因数据的山茶科分化时间树及Ks峰值分布图