系统基因组学揭示古代杂交和不完全谱系分选驱动被子植物五大核心类群早期分化的谱系冲突

本研究针对被子植物五大核心类群（Mesangiospermae）间长期存在的系统发育关系争议，通过整合177个基因组数据，综合运用多种同源基因推断方法和系统发育重建策略，揭示了古代广泛杂交（hybridization）和不完全谱系分选（ILS）是导致核基因树异质性和细胞核-质体基因组不一致（cytonuclear discordance）的主要因素。研究首次构建了支持网状进化（phylogenetic networks）的被子植物系统发育框架，为理解被子植物早期快速辐射的演化机制提供了重要理论依据。

　　

被子植物作为陆地生态系统的主导植物类群，其五大核心类群——真双子叶植物（eudicots）、单子叶植物（monocots）、木兰类植物（magnoliids）、金粟兰目（Chloranthales）和金鱼藻目（Ceratophyllales）——间的系统发育关系一直是进化生物学研究的焦点。然而，由于这些类群在距今1.35-1.95亿年前的侏罗纪至白垩纪早期发生了快速辐射分化，在极短的地质时间内（约500-3400万年）形成了大量谱系，导致传统的系统发育分析方法难以准确解析它们之间的演化关系。近年来，尽管大规模转录组和基因组数据不断涌现，但不同研究基于不同数据集和分析方法获得了超过20种不同的拓扑结构，特别是在核基因组与质体基因组之间存在着显著的不一致现象（cytonuclear discordance），这使得被子植物基部类群的关系成为植物系统发育研究中"最棘手的难题"之一。

以往研究多将这种基因树冲突归因于不完全谱系分选（incomplete lineage sorting, ILS），即由于快速分化导致祖先多态性未能完全分选，使得不同基因具有不同的谱系历史。然而，近年来少数研究基于有限基因组数据提出，古代杂交（ancient hybridization）可能也在其中发挥了重要作用。但由于缺乏关键类群（特别是金粟兰目和金鱼藻目）的高质量基因组数据，以及能够有效区分ILS和杂交的分析方法，这一问题始终未能得到圆满解决。

为了解决这一难题，南京师范大学钟伯坚研究员团队联合美国明尼苏达大学和德国慕尼黑大学的研究人员，在《Plant Communications》上发表了最新研究成果。研究团队选取了177个覆盖被子植物主要谱系的基因组数据，通过创新性地结合同源基因推断方法（基于共线性的SynNet流程和基于马尔可夫聚类的MCL方法）、多种系统发育重建策略（串联法和溯祖法）以及网状进化分析，首次在全基因组尺度上解析了五大核心类群间的系统发育关系，并深入探讨了基因树冲突的产生机制。

研究采用的主要技术方法包括：1）基于177个被子植物基因组的大规模同源基因聚类分析（使用SynNet和MCL两种方法）；2）多策略系统发育重建（包括串联法和ASTRAL-III等溯祖方法）；3）基因树冲突可视化分析（DiscoVista、PhyParts和Quartet Sampling）；4）不完全谱系分选模拟（使用Phybase进行coalescent模拟）；5）杂交信号检测（采用Reticulation Index计算、QuIBL分析和PhyloNet网状树推断）；6）质体基因组系统发育分析（79个质体基因的串联分析）。

研究结果首先确认了五大核心类群的稳定系统发育关系：单子叶植物作为其余类群的姐妹群，真双子叶植物与金鱼藻目构成姐妹群，而木兰类植物与金粟兰目构成另一姐妹群。这一结果在不同数据集和分析方法中均保持一致，支持了"单子叶植物+（真双子叶植物+（木兰类植物+金粟兰目））"的拓扑结构。

然而，基因树冲突分析揭示了深层次的复杂性。DiscoVista分析显示，仅有17.8%的核基因树（214/1202）支持真双子叶植物、木兰类植物和金粟兰目的最近共同祖先（MRCA）节点的单系性，而超过80%的基因树存在冲突。特别值得注意的是，木兰类植物与金粟兰目的姐妹关系仅有17.0%的基因树支持，而51.7%的基因树强烈拒绝这一关系。

为了探究冲突的来源，研究团队进行了coalescent模拟分析。结果显示，在仅考虑ILS的情况下，模拟获得的基因树拓扑频率分布与观测数据高度相关（R²=0.989），表明ILS确实贡献了大部分基因树冲突。然而，细致的三联体（triplet）频率分析发现，在三个关键节点（真双子叶植物+木兰类植物+金粟兰目的MRCA、木兰类植物+金粟兰目的MRCA、单子叶植物+其余核心类群的MRCA）上，两个次要拓扑结构的频率存在显著不对称分布，这与ILS预期的对称分布模式不符，暗示了杂交事件的存在。

QuIBL分析进一步量化了ILS和杂交的相对贡献。结果显示，在这三个关键节点上，杂交导致的冲突分别占81.55%、76.40%和85.28%，远高于ILS的贡献（18.45%、23.60%和14.72%）。平均每个代表谱系对间的基因渗入比例在0.20-0.25之间，表明古代杂交在核心被子植物分化过程中是普遍现象。

质体基因组分析获得了与核基因组不同的拓扑结构：单子叶植物与（真双子叶植物+金鱼藻目）构成姐妹群，然后与（木兰类植物+金粟兰目）构成姐妹关系。coalescent模拟表明，这种细胞核-质体不一致不能单纯由ILS解释，进一步支持了古代杂交的存在。

PhyloNet网状进化分析推断出三个可能的杂交事件，其中最显著的是单子叶植物向木兰类植物祖先的基因流（γ=0.16）和核心被子植物祖先向单子叶植物的基因流（γ=0.14）。模型比较显示，包含三个杂交事件的网状结构比严格二分树具有更低的AICc和BIC值，表明网状进化模型能更好地解释观测数据。

研究结论强调，被子植物五大核心类群间的深层系统发育冲突是多种因素共同作用的结果，其中古代广泛杂交发挥了主导作用，而ILS和系统误差（如基因树估计误差）也不容忽视。这一发现对理解被子植物早期辐射机制具有重要意义：一方面，快速分化为杂交创造了有利条件；另一方面，基因渗入可能通过提供遗传变异促进了关键创新性状的快速获得和适应性辐射。研究建议未来被子植物的系统发育研究应采用网状进化框架而非严格的二分树模型，以更准确地反映其复杂的演化历史。

该研究的创新之处在于：首次在全基因组尺度上整合了所有五大核心被子植物类群的基因组数据；开发了综合分析流程区分ILS和杂交的相对贡献；提出了支持网状进化的被子植物系统发育新框架。这些发现不仅解决了长期存在的系统发育争议，也为研究快速辐射类群的演化机制提供了新思路，对理解被子植物的起源和多样化具有深远意义。