大戟屬（Euphorbia）隸屬于大戟科，為植物界最大的屬之一，包含約2000種，幾乎遍布全球，生境類型十分多樣。大戟屬的形態(tài)特征高度趨同（非同源相似），是系統(tǒng)分類研究最為困難的類群之一。自林奈1753年建立該屬以來(lái)，大戟屬的“拆分”或“合并”一直處于爭(zhēng)論之中。近些年的分子系統(tǒng)學(xué)研究支持“合并”，即廣義的大戟屬，共包含四個(gè)亞屬：乳漿大戟亞屬（subg. Esula）、subg. Athymalus、地錦草亞屬（sung. Chamaesyce）和大戟亞屬（subg. Euphorbia）。然而，目前的系統(tǒng)發(fā)育分析依據(jù)的均是少數(shù)DNA片段，提供的系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)有限，大戟屬內(nèi)的系統(tǒng)發(fā)育框架還有待完善。利用基因組學(xué)手段解決該屬的系統(tǒng)發(fā)育的研究卻鮮有報(bào)道。 

　　在中國(guó)科學(xué)院武漢植物園王青鋒研究員和英國(guó)皇家植物園邱園Olwen M. Grace研究員的共同指導(dǎo)下，博士研究生魏能等人對(duì)大戟屬四個(gè)亞屬全面的代表性取樣，利用質(zhì)體基因組數(shù)據(jù)重建了該屬系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，并探討了其基因組結(jié)構(gòu)的演化。分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)界定的屬在系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)上均嵌入到狹義大戟屬，廣義的大戟屬的單系得到很好的支持，從而支持大戟屬的“合并”。另外，四大亞屬的姐妹群關(guān)系也得到了進(jìn)一步的確認(rèn)。質(zhì)體基因組結(jié)構(gòu)在光合自養(yǎng)類群中，特別是在較低分類階元（如族、屬和種）之中，一般被認(rèn)為十分保守。出乎意料的是，大戟屬質(zhì)體基因組長(zhǎng)度變異幅度達(dá)到了42 kb，伴隨著反向重復(fù)區(qū)（inverted repeat region）的大尺度擴(kuò)張（超過(guò)15 kb）和收縮（幾乎丟失）。同時(shí)，該研究對(duì)質(zhì)體基因組結(jié)構(gòu)上的基因倒位、復(fù)制、丟失/假基因化等現(xiàn)象進(jìn)行了討論，并從編碼區(qū)和基因間區(qū)中篩選出的一批系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)較強(qiáng)的分子標(biāo)記，可被用于后續(xù)的大戟屬DNA條形碼以及系統(tǒng)發(fā)育研究。 

　　該研究利用質(zhì)體基因組學(xué)方法進(jìn)一步厘清了大戟屬屬內(nèi)的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，為該屬植物的分類、演化和保育奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，該研究擴(kuò)展了我們對(duì)于光合自養(yǎng)植物中質(zhì)體基因組結(jié)構(gòu)十分保守的認(rèn)識(shí)，同時(shí)暗示大戟屬可能經(jīng)歷了復(fù)雜的質(zhì)體基因組演化歷史。另外，大戟屬是唯一同時(shí)具有光合作用三大碳代謝途徑（C3、C4和CAM）的屬，為揭示光合作用固碳的演化提供了絕佳的系統(tǒng)發(fā)育體系?；诖耍撗芯繛槔斫夤夂献饔孟嚓P(guān)的質(zhì)體基因和光合固碳途徑之間的聯(lián)系提供了參考和啟示。 

　　該研究由中國(guó)科學(xué)院武漢植物園，英國(guó)皇家植物園邱園，肯尼亞國(guó)家博物館、上海辰山植物園和中國(guó)科學(xué)院昆明植物所共同完成，得到了中-非聯(lián)合研究中心項(xiàng)目（SAJC202101）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32070231）、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作項(xiàng)目（151853KYSB20190027）和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)公派聯(lián)合培養(yǎng)博士生獎(jiǎng)學(xué)金的支持。研究結(jié)果以“Plastome evolution in the hyperdiverse genus Euphorbia (Euphorbiaceae) using phylogenomic and comparative analyses: large-scale expansion and contraction of the inverted repeat region”為題發(fā)表在最新一期的Frontiers in Plant Science上。 

　　文章鏈接：https://doi.org/10.3389/fpls.2021.712064 

圖1. 基于76個(gè)質(zhì)體編碼區(qū)重建的大戟屬系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)（展示基因的丟失/假基因化） 

圖2. 大戟屬質(zhì)體基因組長(zhǎng)度的比較（展示反向重復(fù)區(qū)（IRA和IRB）的擴(kuò)張和收縮） 

圖3. 從編碼區(qū)中篩選出的系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)排名前十的分子標(biāo)記