一种新的草分子材料
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草之间的进化关系已经在草科树的新分子研究中得到阐明 ， 该研究还提供了证据表明一种光合作用 - 称为“C4光合作用” - 允许植物在炎热的环境中利用太阳能 ， 干燥气候在不同的草谱系中多次独立进化 。 草之间的进化关系 ， 包括小麦、水稻、玉米和甘蔗等重要农作物 ， 已经在草科树的新分子研究中得到阐明 。 清楚地了解草类之间的关系有助于了解重要的作物性状 ， 如种子大小或抗病性 ， 是如何演变的 ， 最终可以为操纵这些性状以提高作物产量提供信息 。 这项大规模研究包括对 350 多种草种的采样 ， 也提供了证据表明一种光合作用 ， 称为“C4 光合作用” ， 允许植物在炎热干燥的气候中利用太阳能多次独立进化在不同的草谱系中 。 一篇描述由宾夕法尼亚州立大学科学家领导的国际研究小组进行的研究的论文在线发表在《分子植物》杂志上 。
“草是第五大植物家族 ， 约有 11000 种 ， ”宾夕法尼亚州立大学植物生殖发育与进化系教授 ， 多萝西·福赫尔·哈克和劳埃德·哈克 ， 以及研究小组负责人红马说 。 “这些范围从构成草坪的草到喂养人类及其牲畜的粮食作物 ， 再到竹子等大型木本物种 ， 当然还有许多非农作物物种 。 我们从来自在世界各地使用核基因构建迄今为止最全面的草科树 ， 以更好地了解这些重要植物之间的进化关系 。 ”研究小组为 342 种草种生成了转录组 ， 生物体表达的所有基因的 DNA 序列 ， 并为另外 7 种草生成了全基因组序列 。 结合现有的草类转录组和基因组数据集 ， 研究小组比较了总共 357 个物种的基因序列 ， 包括所有 12 个草亚科和 231 个不同草属的成员 ， 分类水平略高于物种 。
像动物一样 ， 植物细胞含有称为线粒体的细胞器 ， 其基因组与我们通常认为的细胞核中的细胞基因组不同 。 植物细胞也有称为质体的细胞器 ， 比如进行光合作用的叶绿体 ， 它们也有独立的基因组 。 以前对草科树的许多研究通常比较质体基因组 ， 但在这项研究中 ， 研究小组专注于植物的核基因组 ， 该基因组更大并且从植物双亲遗传 。 “为了建立草家族树 ， 我们比较了样本中草的核基因组中大约 1200 个基因的 DNA 序列 ， ”马说 。 “使用更大的核基因组 ， 这得益于最近的技术进步 ， 大大减少了 DNA 测序的时间和成本 ， 使我们能够在草种之间做出更精细的区分 ， 并解决以前难以解释的关系 。 我们认为我们在研究中看到的草之间的关系非常可靠 ， 但我们承认它并不完美 ， 因为我们只分析了一小部分核基因 。 ”
在 12 个草亚科中 ， 研究小组确认有 11 个是单系的 ， 这意味着该亚科的所有成员在过去都有一个共同的祖先 。 对于第十二个亚科 ， 新研究表明最好将其分成两个独立的亚科 。 在亚科以下 ， 一些部落甚至属也被发现不是单系的 。 该研究使用分子钟估计将草科的总年龄定在约 1.01 亿年 ， 该估计通过跟踪 DNA 序列的变化或突变数量来测量时间 ， 同时使用化石来确定草历史中特定点的日期 。 准确了解任何大型群体的物种之间的关系对于该群体的比较和进化研究至关重要 。 为了证明这一点 ， 该团队研究了参与 C4 光合作用的基因 。 C4光合作用是光合作用的一种形式 ， 除了通常用于C3光合作用的三碳分子外 ， 还使用四碳中间分子 。 这种进化上的新奇可能涉及数十个基因的进化变化 ， 它允许在炎热干燥的栖息地生长的玉米或小米等植物在节约用水的同时有效地进行光合作用 。
【一种新的草分子材料】“我们的研究表明 ， C4光合作用在草科植物中已经从C3独立进化了好几次 ， ”马说 。 “导致 C4 光合作用的进化途径因使用关键酶的不同副本或此类基因发生不同变化而在各个谱系中有所不同 。 因此 ， 如果我们想了解特定物种中的 C4 光合作用 ， 了解这一点很有帮助它与使用 C4 的其他物种的关系如何 。 这对于我们可能感兴趣的其他性状是正确的 ， 不仅在作物物种中 ， 而且对于生态研究或实验室使用的模型草种也是如此 。
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