《American Journal of Botany》：Placing very long branch taxa in the plant tree of life: A case study with Dioscoreales mycoheterotrophs
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前提： 将异养植物纳入更广泛的系统学研究面临诸多挑战，原因在于其形态高度特化、基因丢失以及光合作用丧失后替代速率的显著加快。尤其是，纳入具有极高进化速率的极长分支（VLB）类群可能导致系统发育基因组学推断错误。
方法： 研究人员探究了快速进化的质体基因组在薯蓣
前提： 将异养植物纳入更广泛的系统学研究面临诸多挑战，原因在于其形态高度特化、基因丢失以及光合作用丧失后替代速率的显著加快。尤其是，纳入具有极高进化速率的极长分支（VLB）类群可能导致系统发育基因组学推断错误。
方法： 研究人员探究了快速进化的质体基因组在薯蓣目（Dioscoreales）基于模型的系统发育推断中的表现，该目经历了趋同的光合作用丧失。其分类单元取样涵盖了表现出广泛替代速率范围的菌根异养谱系以及所有光合属。
结果： 当仅纳入中等速率进化的异养类群时，薯蓣目内部的关系与近期基于线粒体的分析结果一致，且总体上得到强支持。光合属Stenomeris（仅由三个基因代表）被中等支持为薯蓣科（Dioscoreaceae）的姊妹群。值得注意的是，水玉簪科（Burmanniaceae）和辐花科（Thismiaceae）这两个包含高度退化质体基因组的菌根异养科，被强支持为在薯蓣目内亲缘关系较远。约束分析拒绝了将辐花科与水玉簪科合并的假设，这与当前被子植物分类系统相冲突。在系统发育推断中纳入部分VLB菌根异养类群会导致局部或广泛的分支支持度下降——对于Afrothismiaceae尤为显著，该科在变异分析中被置于薯蓣目内（甚至其外）的不同位置，且无法区分其各替代位置。
结论： 在薯蓣目系统发育分析中纳入高速率进化类群会降低分支支持度。该目内推断的关系在其他方面与基于线粒体数据的研究结果一致；科级分类需要更新。进化速率异常快的Afrothismiaceae科在各种质体分析中位置不一致，表明基于质体的VLB异养类群系统发育基因组学分析可能存在分析极限。
一、研究背景与科学问题
质体（叶绿体）基因组数据已极大地推动了单子叶植物各目内部及目间高级别亲缘关系的推断。然而，薯蓣目（Dioscoreales）作为单子叶植物中最后一个尚未被系统发育基因组学数据详细关注的重大分支，其科级界定长期悬而未决，此前研究认可的科数从三个到七个不等。该目面临的一个主要复杂因素是其内部多次独立演化出完全菌根异养（FM）的非光合类群。这些类群与一般异养植物相似，往往在形态上高度特化，且可能表现出显著升高的替代速率，从而在系统发育或系统发育基因组学推断中引发问题，特别是可能导致长分支吸引（LBA）伪影。此类极高进化速率的类群在本研究中被定义为“极长分支”（VLB）类群。尽管已有研究表明保留的非光合功能质体基因可用于系统发育分析，但对于VLB谱系能否被质体数据良好容纳仍不清楚，这构成了将其纳入植物生命树系统学研究的重大挑战。此外，薯蓣目内多个光合属的精确关系也一直难以重建，例如Stenomeris属仅有三个质体基因可用，其系统位置在不同研究中不一致。因此，开展一项广泛代表性的质体系统发育基因组学研究，对于解决该目悬而未决的高级亲缘关系和科级界定，以及评估VLB谱系对推断的影响，具有重要的科学意义。
二、研究内容与主要结论
研究人员通过基因组浅测序（genome skims）技术，为薯蓣目七个物种生成了包含全部质体蛋白编码基因和rDNA基因的新系统发育基因组学数据集，并将其与已发表的29个该目类群及62个其他单子叶植物外类群数据合并，构建了一个98类群的矩阵，涵盖该目22属中的16属，包括全部九个严格光合属和13个菌根异养属中的七个。研究围绕三个核心问题展开：薯蓣目各科内部的属级关系；近期被子植物分类方案中将所有菌根异养类群归入水玉簪科（Burmanniaceae）的有效性；以及纳入VLB菌根异养谱系对系统发育基因组学推断的总体影响。研究首先基于一个“核心”89类群数据集（排除VLB类群和数据缺乏的光合物种Stenomeris）进行DNA和氨基酸（AA）水平的分析，随后通过一系列逐一添加不同VLB类群的“分类单元添加实验”，系统评估其对推断结果的影响，并采用多种基于模型的策略尝试减轻长分支伪影效应。
三、关键技术方法
研究主要采用了以下关键技术方法：利用基因组浅测序技术获取新物种的质体基因组数据；通过CLC Genomics Workbench和NOVOPlasty等软件进行序列组装；运用GeSeq进行基因注释，并对高进化速率类群辅以BLASTP搜索以确保基因鉴定的准确性；构建了包含78个蛋白编码基因和4个rDNA基因的82个基因比对矩阵；采用分区最大似然法（RAxML-NG）进行系统发育推断，并使用ModelFinder确定最优分区方案和替代模型；运用BEAST v.2.6.3进行贝叶斯相对替代速率分析，采用随机局部时钟模型表征不同谱系的速率差异；使用位点异质模型（PMSF和CAT-GTR）以减轻长分支伪影；通过Shimodaira–Hasegawa（SH）和approximately unbiased（AU）检验评估替代系统发育假说。样本来源涵盖新测序的七个薯蓣目物种及从GenBank和已发表矩阵获取的公开数据。
四、研究结果
薯蓣目菌根异养谱系的速率升高特征： 贝叶斯相对替代速率分析显示，所研究的九个FM类群均表现出相对于光合近缘类群的中度至极高水平的速率升高。其中三个类群（Burmannia itoana、Campylosiphon congestus和Haplothismia exannulata）被界定为中等速率或与光合类群相当，被纳入核心数据集；其余六个类群被界定为VLB类群，其中Afrothismiaceae的速率升高最为显著（超过16倍）。
核心数据集（排除VLB类群和Stenomeris）的系统发育分析： 基于核心89类群数据集的DNA和AA分析结果高度一致，薯蓣目内部的高级关系总体上得到良好支持。辐花科（Thismiaceae，以Haplothismia为代表）与蒟蒻薯科（Taccaceae）形成分支，二者共同与毛柄花科（Trichopodaceae）为姊妹群，这三个科再与薯蓣科（Dioscoreaceae）构成更大的分支。水玉簪科则与除沼金花科（Nartheciaceae）外的所有薯蓣目科形成姊妹关系。两个分析均强支持辐花科与水玉簪科在薯蓣目内亲缘关系较远，不支持当前被子植物分类中将二者合并为广义水玉簪科的处理。
纳入数据缺乏的光合物种的影响： 将仅由三个质体基因代表的Stenomeris borneensis加入分析后，其在DNA分析中被恢复为薯蓣属（Dioscorea）的姊妹群，但支持度较弱至中等（67–70%）；在基于位点异质模型的AA分析中支持度有所提高（80–81%）。
纳入VLB菌根异养类群的影响： 将VLB类群逐一加入核心数据集后，观察到局部或广泛的分支支持度下降。其中，将Afrothismiaceae的四个物种加入后影响最为严重，该科在不同分析中被置于薯蓣目内甚至其外的不同位置，包括与禾本科（Poaceae）形成分支等明显不合理的结果，且无法通过统计检验区分其各替代位置。相比之下，水玉簪科和辐花科的VLB代表类群加入后，虽然导致部分分支支持度下降，但其自身及科级关系的定位相对稳定。
五、讨论与结论
约束检验明确拒绝了将辐花科与水玉簪科合并为单系群的假设，这与当前被子植物分类系统（APG）相冲突，表明科级分类亟需更新。研究结果支持将Afrothismiaceae识别为独立科，并支持辐花科、蒟蒻薯科和毛柄花科的独立科地位。对于VLB类群，研究结果表明，尽管纳入高速率进化类群会降低分支支持度，但中等速率进化的菌根异养类群可以被质体系统发育基因组学分析有效容纳。然而，Afrothismiaceae这一进化速率异常快的科在各种质体分析中位置不一致，指向了基于质体的VLB异养类群系统发育基因组学分析可能存在的分析极限。研究人员得出结论：薯蓣目内推断的关系在其他方面与基于线粒体数据的研究结果一致；该目科级分类需要更新；对于极端速率进化的类群，质体数据可能无法提供可靠的系统发育定位，需要依赖线粒体或核基因组数据加以解决。
