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为解决被子植物系统发育关系争议，研究人员分析 41 个线粒体蛋白编码序列，发现线粒体基因组数据可有效解析被子植物深层节点关系。
# 基于线粒体基因的被子植物系统发育基因组学研究解读
在植物的奇妙世界里，被子植物无疑是最为庞大且至关重要的类群。它们形态各异、生态习性多样，几乎占据了地球上所有的生态系统，从广袤的陆地到神秘的海洋，都有它们的身影。了解被子植物的系统发育关系，就像是打开了一扇通往植物演化历史的大门，不仅能帮助我们梳理主要陆地生态系统的发展脉络，还能让我们更好地理解生物多样性的奥秘。
然而，探索这扇大门的道路却布满了荆棘。尽管众多科研人员付出了巨大努力，利用大规模基因组数据集和广泛的分类采样，包括质体基因组数据、低拷贝同源核基因以及转录组等进行研究，但被子植物许多科和目的系统发育关系依旧充满争议。比如，现存被子植物的姐妹类群究竟是单独的无油樟目（Amborellales），还是无油樟目 + 睡莲目（Nymphaeales），学界一直争论不休。而且，基于不同数据集构建的系统发育树，其拓扑结构差异很大，这让原本就复杂的问题变得更加扑朔迷离。
早期被子植物的快速多样化，更是给科学家们出了一道难题，这一现象被达尔文称为 “可恶的谜团”。关于被子植物的起源时间，不同研究的估计结果差异极大，从约 1.4 亿年前到 2.7 亿年前不等。面对这些困境，科研人员迫切需要新的思路和方法来解开被子植物系统发育的谜团。
中国科学院植物研究所等机构的研究人员勇敢地迎接了这一挑战，开展了基于线粒体基因的被子植物系统发育基因组学研究。他们的研究成果发表在《BMC Biology》上，为我们理解被子植物的演化提供了重要线索。
在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是样本采集，他们精心挑选了 481 种代表 335 个科和 63 个目的被子植物，几乎涵盖了被子植物所有的目和大部分科，还选取了 5 种裸子植物作为外类群。接着进行线粒体基因组测序，从采集的新鲜嫩叶中提取 DNA，利用 Illumina 平台进行测序，并对原始数据进行严格的质量控制。之后，通过多种软件对线粒体基因编码序列（mtCDSs）进行组装和注释。最后，利用不同的数据集和分析方法构建系统发育树，还进行了系统发育冲突评估和分歧时间估计 。
下面来看看具体的研究结果：
- mtCDS 数据集：研究人员成功获取了 481 个被子植物的线粒体基因组数据，新测序 91 种，组装了 203 种基于 NCBI 下载数据的 mtCDSs，还有 192 种直接从 NCBI 收集。最终获得 17,338 个 mtCDSs，数据存在约 13% 的缺口或缺失。
- 系统发育分析：通过两种数据集和方法进行系统发育分析，得到了支持度较高且基本一致的结果。多数节点支持度较高，57 个目为单系且支持度高。研究明确了无油樟目是其他现存被子植物的姐妹群，随后依次是睡莲目和木兰藤目（Austrobaileyales）。在核心被子植物中，金鱼藻目（Ceratophyllales）和金粟兰目（Chloranthales）是姐妹群，单子叶植物（Monocots）是木兰类植物（Magnoliids）的姐妹群等，但在一些类群内部关系上，不同分析结果存在差异 。
- 系统发育冲突：研究人员通过计算节点间确定性（ICA）等指标来检测系统发育冲突。多数目的单系性得到 ICA 支持，但部分节点 ICA 值接近零，意味着存在冲突。同时，通过与质体系统发育基因组树（PPA）比较，发现两者存在拓扑差异，有 6 个主要的系统发育不一致之处 。
- 分歧时间估计：基于 41 个 mtCDSs 的系统发育树估计被子植物分歧时间，结果显示冠群被子植物起源于早 - 中三叠世，冠群核心被子植物分歧稍晚，主要类群在随后约 3000 万年逐渐分化。各主要类群如单子叶植物、木兰类植物、真双子叶植物（Eudicots）等都有各自的分歧时间节点 。
在讨论部分，研究人员指出，线粒体基因组数据在解析被子植物系统发育深层节点关系方面表现出色，与以往线粒体 DNA 分析结果基本一致，但也有新的发现。例如，本研究支持金鱼藻目、金粟兰目以及它们与真双子叶植物构成的分支，这与之前一些研究观点不同。在单子叶植物和木兰类植物的关系上，本研究结果与部分前人研究相符，但在其他一些类群关系上仍存在争议。
此外，研究还发现线粒体系统发育基因组学在解决异养类群的系统发育位置方面有重要作用，尽管线粒体基因组的单亲遗传可能会导致杂交和不完全谱系分选带来的冲突。在被子植物起源和演化时间方面，本研究结果与部分前人研究相似，但也存在差异，这可能与分子进化的化石校准方法有关。
总体而言，这项研究意义重大。它为被子植物系统发育研究提供了新的视角和有力证据，表明线粒体基因组数据是解析被子植物系统发育关系的重要资源，有助于我们更深入地理解被子植物的演化历程。不过，目前的研究也存在一些局限性，比如部分类群关系仍未完全明确，未来还需要更多的研究来进一步完善我们对被子植物系统发育的认识。
