整合发育和宏观进化方法揭示石竹科所有间萼生器官的退化雄蕊起源

《American Journal of Botany》：Integrating developmental and macroevolutionary approaches reveals a staminodial origin of all alternisepalous organs in Caryophyllaceae

　　

背景：石竹科（Caryophyllaceae）中第二轮、间萼生（alternisepalous）位置的不育花器官的身份仍存在争议，曾被描述为退化雄蕊（staminodes）、“花瓣状结构（petaloids）”或与其他五瓣花类（Pentapetalae）花瓣同源的花瓣。以往研究因类群内和类群外取样有限、花发育数据不足以及系统发育比较方法不充分，加剧了这种不确定性。关键问题在于，退化雄蕊从未被作为离散性状进行分析，导致其与其他结构的同源性未获解决。方法：研究人员利用五个化石校准，重建了涵盖775个物种的石竹科及外类群的时间校准系统发育树（chronogram）。对613个物种的花部性状进行了量化，包括花瓣状结构、退化雄蕊和雄蕊的数量与位置。随机特征映射（stochastic character mapping）用于估计祖先性状状态和转换速率。文献综述提供了发育数据，以表征常见的花部形式；转换模型用于评估花发育和进化的模式。结果：退化雄蕊在无瓣（apetalous）石竹科的基部演化，并沿主干持续存在，被多次丢失并转变为花瓣状，尤其在多石竹科（Plurcaryophyllaceae）中，其中通过间萼生原基（primordia）的分裂，在间萼生位置演化出第二轮雄蕊。石竹科的冠祖先（crown ancestor）可能具有一轮对萼生（antesepalous）雄蕊与间萼生退化雄蕊交替排列。结论：石竹科的花是无瓣的：所有间萼生不育结构均为退化雄蕊。自其起源以来，退化雄蕊随后经历了多次丢失、退化和发展。其进化历史与早期被子植物谱系中的模式相似，使石竹科成为研究退化雄蕊在花功能和多样化中作用的宝贵系统。

**论文解读：整合发育与宏观进化方法揭示石竹科所有间萼生器官的退化雄蕊起源**

**研究背景与问题**
花器官的起源与演化是被子植物多样化的关键驱动力，其中花瓣在吸引传粉者、促进物种形成中尤为重要。然而，花瓣的进化高度动态，常通过其他器官（如萼片、雄蕊）的发育征用（developmental cooption）独立获得或丢失。石竹科（Caryophyllaceae）是石竹目（Caryophyllales）中形态多样的科，其花部结构存在显著差异：通常具有4-5枚萼片、一轮对萼生（antesepalous）雄蕊，以及2-5枚心皮；而在间萼生（alternisepalous）位置，常见不育结构，曾被描述为雄蕊、花瓣、花瓣状结构（petaloids）或退化雄蕊（staminodes）。这些结构的同源性长期存在争议，主要形成两种假说：退化雄蕊假说（staminodial hypothesis）认为这些结构来源于无瓣祖先中的雄蕊，而花瓣假说（petal hypothesis）则认为它们与其它五瓣花类（Pentapetalae）的花瓣同源。以往研究受限于取样稀疏、缺乏发育数据以及不恰当的系统发育比较方法，且未将退化雄蕊作为离散性状纳入分析，导致进化结论可靠性不足。因此，本研究旨在明确石竹科间萼生不育器官的身份、起源时间及进化动态，通过整合大尺度系统发育、发育数据和宏观进化方法，解决这一长期争议。该研究发表于《American Journal of Botany》。

**主要关键技术方法**
研究人员首先从GenBank下载3个分子标记（叶绿体matK、trnL-trnF及核核糖体ITS1-5.8S-ITS2）序列，经MAFFT比对后，利用RAxML-NG进行最大似然系统发育推断，再通过BEAST2进行贝叶斯松弛时钟定年，采用5个化石校准（包括石竹科内3个及外类群2个）构建时间校准系统发育树（chronogram），共纳入775个类群（686个石竹科+89个外类群）。花部形态特征来自8个标本馆（Ohio University等）的613个物种标本，量化了花瓣状结构、退化雄蕊和雄蕊的数量与位置。发育数据通过文献综述收集15项已发表研究，涵盖59个物种，并补充此前研究。采用随机特征映射（stochastic character mapping）和模型拟合（等速率ER、全速率差异ARD、对称SYM及自定义一步模型）进行祖先性状状态估计和进化模式推断。

**研究结果**
**系统发育重建（Phylogenetic reconstructions）**
通过RAxML和BEAST2分析，获得高支持度的系统发育树。石竹科被恢复为单系，冠年龄约36.39–45.64百万年，分为12个族（包括新提出的Thylacospermeae）。族间关系为：Corrigioleae为基部，随后依次为Paronychieae、Polycarpaeae，以及Plurcaryophyllaceae分支（包含其余族）。该结果支持了此前研究中的梯度关系，但Plurcaryophyllaceae内部族间关系存在差异。

**系统发育比较方法（Phylogenetic comparative methods）**
通过相关性二元分析，发现“花瓣”与退化雄蕊的分布呈显著负相关，结合发育证据，支持所有间萼生不育结构为同源退化雄蕊。随机特征映射推断：退化雄蕊在石竹科冠节点出现，并沿主干保留，但被多次丢失（共约17.24次转换，其中丢失13.48次，获得3.76次）；雄蕊数从1-5枚到6-10枚的转换频繁（41.11次），代表雄蕊轮重复；花瓣状退化雄蕊（petaloid staminodes）的丢失（17.72次）远多于获得（5.88次），且在Plurcaryophyllaceae中，花瓣状退化雄蕊的丢失常伴随整个退化雄蕊轮的消失。综合祖先性状估计，提出花进化模型：石竹科祖先具有一轮对萼生雄蕊和一轮间萼生退化雄蕊（Spergularia形式）；在Plurcaryophyllaceae中，间萼生原基分裂产生第二轮雄蕊（Silene形式）；随后通过丢失退化雄蕊或雄蕊，衍生出Scleranthus形式（两轮雄蕊）或再次退化的Spergularia形式。

**发育方法（Developmental approach）**
将花发育数据分为6种形式：石竹科内3种（Spergularia形式、Silene形式、Scleranthus形式），外类群3种（Mollugo形式、Glinus形式、Amaranthus形式）。模型拟合表明，一步等速率模型（1-stepER）最优，支持花发育形式以单步转换进化。随机特征映射推断石竹科冠节点为Spergularia形式，该形式沿主干保留至Plurcaryophyllaceae，随后进化出Silene形式；Silene形式多次丢失退化雄蕊产生Scleranthus形式，或丢失间萼生雄蕊重新产生Spergularia形式。

**总结讨论与结论**
讨论部分强调，所有证据一致支持退化雄蕊假说：发育顺序（花萼→对萼生雄蕊→间萼生结构）与雄蕊同源，共同原基形成、雄蕊环起源等发育证据，以及宏观进化中退化雄蕊与“花瓣”的负相关分布，均表明间萼生不育结构为退化雄蕊。与花瓣假说相比，本研究提出的退化雄蕊起源模型更为简洁，无需假设多次花瓣丢失和独立退化雄蕊演化。研究结论明确指出：石竹科花是无瓣的，所有间萼生不育结构均为退化雄蕊；它们起源于该科冠或茎节点，在Plurcaryophyllaceae中通过原基分裂获得第二轮雄蕊，随后大部分花进化通过丢失退化雄蕊或雄蕊实现。该发现使石竹科成为研究退化雄蕊在花功能和多样化中作用的理想系统。