基于叶绿体基因组与核单拷贝基因揭示葫芦科系统发育及栝楼属演化新框架

本研究针对葫芦科（Cucurbitaceae）系统发育主干争议及最大属栝楼属（Trichosanthes）分类难题，整合叶绿体基因组（plastome）与1,244个核单拷贝基因（SCNs）数据集，重建了涵盖15族68属的高支持度系统发育树。结果首次明确葫芦科早期分支族的演化关系，揭示栝楼属为并系群且嵌套三个外类群，分子钟分析表明其起源于渐新世（约30.089 MYA），中中新世气候最适期驱动快速多样化。该研究为葫芦科分类修订及生物地理学提供关键依据，发表于《BMC Plant Biology》。

　　

葫芦科作为经济与模式植物的重要家族，其系统发育框架长期存在争议——早期分支族（如Actionstemmateae、Gomphogyneae）的演化关系模糊，最大属栝楼属（Trichosanthes）的分类体系因形态复杂性和标本不全而混乱不堪。先前基于叶绿体或转录组数据的研究常得出冲突结论，例如Gomphogyneae与Zanonieae的亲缘关系未定，且Trichosanthes与近缘属（如Hodgsonia和Luffa）的系统位置悬而未决。这些问题不仅阻碍分类修订，更限制了对葫芦科多样化历史的理解，尤其在气候变迁背景下物种形成机制的探索亟待深入。

为解决这些难题，中国科学院植物研究所的研究人员主导开展了一项整合多组学的系统发育研究。他们结合叶绿体基因组与核单拷贝基因（SCNs），构建了涵盖15族137个样本（代表35属）的超级矩阵，并通过分子钟与多样化率分析追溯演化历史。关键技术包括：（1）叶绿体基因组组装与注释：基于Illumina测序数据，参考Trichosanthes kirilowii完成组装；（2）核单拷贝基因提取：使用HybPiper从143个样本中筛选1,244个SCNs；（3）系统发育重建：采用最大似然法（ML）、贝叶斯推断（BI）及多物种溯祖（MSC）模型；（4）分子钟校准：利用三个化石点（如Trichosanthes antiqua）估算分化时间；（5）多样化分析：通过BAMM评估净多样化率变迁。

Phylogenetic analyses of Cucurbitaceae based on plastome dataset

基于叶绿体基因组数据集的分析表明，葫芦科主干分为9个高支持度分支（BS=100%，PP=1.00）。早期分支族Actionstemmateae、Fevilleeae、Gomphogyneae和Zanonieae构成首支演化簇，其中Actionstemmateae为其余三族的姐妹群。Indofevilleeae、Thladiantheae、Momordiceae、Siraitieae、Joliffieae和Bryonieae沿主干连续分化，而Cucurbiteae、Benincaseae与Coniandreae聚为一支。在族Sicyeae中，Luffa和Hodgsonia依次作为Trichosanthes的姐妹群，且Trichosanthes被证实为并系群——其内部嵌套Linnaeosicyos、Cyclanthera和Sicyos三个属（BS=100%）。栝楼属下9个组中7个为单系，但组Involucraria分裂为两个远缘类群（Involucraria 1和Involucraria 2），分别以红花和毛状结构为特征。

Phylogenetic analyses of Cucurbitaceae based on 1,244 SCNs

核单拷贝基因（SCNs）的溯祖模型（MSC）支持葫芦科分为10支（LPP=1）。与叶绿体数据一致，Trichosanthes复分为两组：一组含Linnaeosicyos amara及组Tripodanthera、Edulis；另一组包含其余6个组。Hodgsonia异位嵌入Sicyinae亚族（LPP=1），证实花瓣长流苏特征在Trichosanthes-Hodgsonia分支中单次起源。

Assessment of Incomplete Lineage Sorting(ILS) and hybridization events

通过MSCquartets分析显示，族Sicyeae存在显著的谱系不完全分选（ILS），四分数图（simplex plot）中多数位点靠近质心（α=1e-06），表明基因树冲突主要源于ILS。系统网络重建（PhyloNet）检测到葫芦科早期辐射中5次杂交事件，提示深层次网状进化是主干争议的另一诱因。

Molecular dating of Cucurbitaceae

分子钟（relaxed clock lognormal model）校准表明，葫芦科起源于晚白垩世（约94.186 MYA），各族在晚白垩世至始新世（67.01–44.804 MYA）分化。栝楼属冠群年龄为30.089 MYA，其组间多样化集中于中新世中期（20.839–14.804 MYA），与中中新世气候最适期（Mid-Miocene Climatic Optimum, MMCO）同步。

Diversification rate analysis of Tr. Sicyeae