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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點，為把我國建設(shè)成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

——習近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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昆明植物所等在被子植物唇形分支花粉性狀演化研究中獲進展

2020-10-10 昆明植物研究所

【字體：大中小】

語音播報

　　中國科學(xué)院昆明植物研究所研究員王紅和李德銖帶領(lǐng)的研究團隊，與英國愛丁堡皇家植物園、美國哥倫布州立大學(xué)合作，基于被子植物系統(tǒng)發(fā)育專家組（APG）系統(tǒng)，構(gòu)建大尺度、廣覆蓋、密取樣的大數(shù)據(jù)集，研究和篩選用于揭示被子植物主要分類階元，如目、科、亞科、族、屬有價值的花粉性狀，利用多學(xué)科證據(jù)的有機結(jié)合，開展“被子植物花粉形態(tài)性狀演化及其驅(qū)動因子”的系列研究（Pollen Character Evolutionary Analysis of Angiosperms: Tracing Their Driving Forces）。2015年至2019年，已先后發(fā)表7篇該系列研究論文，包括整個被子植物花粉性狀演化研究框架總覽和方法論介紹（Wortley et al. 2015）、被子植物基部類群（Lu et al. 2015）、單子葉分支（Luo et al. 2015）、基部真雙子葉類群（Zhang et al. 2017）、泛菊亞綱基部類群（Yu et al. 2018）、薔薇分支I的非固氮分支（Tao et al. 2018）、薔薇分支I的固氮分支（Jiang et al. 2019），該系列研究成果有利于深入系統(tǒng)地闡述被子植物花粉多樣性和演化式樣及其驅(qū)動因子和適應(yīng)性進化。

　　近期，研究團隊在被子植物唇形分支（Lamiids）花粉性狀演化研究中取得新進展。唇形分支由唇形目Lamiales、紫草目Boraginales、茄目Solanales、龍膽目Gentianales、絲纓花目Garryales、茶茱萸目Icacinales、水螅花目Metteniusales和黃漆姑目Vahliales等8個目組成，全球約有50000余種，包括與人類生活密切相關(guān)的重要農(nóng)作物和廣為栽培的經(jīng)濟植物，如西紅柿、馬鈴薯、辣椒、茄子、煙草、薄荷、咖啡等。該研究基于唇形分支最新的分子系統(tǒng)學(xué)研究，利用9個葉綠體片段（atpB，matK，ndhF，psbBTNH，rbcL，rps4，rps16，trnL-F和trnV-atpE）和1個線粒體片段（rps3）重建該分支的分子系統(tǒng)發(fā)育框架，針對該分支全部8目，選取49科144屬的18個花粉性狀數(shù)據(jù)進行演化重建分析。研究表明，唇形分支花粉形態(tài)具有較高的多樣性，主要表現(xiàn)在花粉形狀、大小、萌發(fā)孔數(shù)目、內(nèi)萌發(fā)孔形狀、覆蓋層上物質(zhì)形狀和覆蓋層紋飾等；研究類群的花粉祖征包括：單粒、等極、球形、圓形極面觀、中等大小、具赤道面分布的三萌發(fā)孔、外萌發(fā)孔溝狀、無覆蓋層上物質(zhì)；該分支中71個科及以上分支的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系得到花粉形態(tài)性狀的支持，為確定一些單系分支、明晰具有爭議關(guān)系的類群提供證據(jù)；唇形分支花粉形態(tài)表現(xiàn)出萌發(fā)孔數(shù)目增加、萌發(fā)孔位置從赤道面分布到周面分布、外壁紋飾由簡單到復(fù)雜的演化趨勢。在此基礎(chǔ)上進一步的演化相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，花粉大小、形狀、萌發(fā)孔類型和外壁紋飾等與傳粉方式、植物生長型、濕度等因子具有相關(guān)性。

　　相關(guān)研究成果以Evolution of Angiosperm Pollen: 8. Lamiids為題，作為該系列文章的第8篇（Yang et al. 2020），發(fā)表在Annals of the Missouri Botanical Garden上。博士生楊麗娥為論文第一作者，王紅和李德銖為論文的通訊作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金國際（地區(qū)）合作重點項目和云南省云嶺學(xué)者人才計劃項目的支持。

　　圖1.唇形分支代表性植物的花粉光鏡、掃描電鏡和透射電鏡圖片。A-D.圓葉牽牛Ipomoea purpurea （L.）Roth. 其中，A.單個花粉粒（LM），具有多萌發(fā)孔（箭頭所指）；B.單個花粉粒（SEM）；C.外壁紋飾（SEM）；D.花粉外壁結(jié)構(gòu)（TEM），箭頭所指為刺（Ec），覆蓋層（T），柱狀層（C），基足層（F）和萌發(fā)孔（AP）。E-H.小牽牛Jacquemontia paniculata（Burm. f.）Hallier f. 其中，E.赤道面觀（SEM）；F.極面觀（SEM）；G.具刺和穿孔狀紋飾的外壁（SEM）；H.花粉外壁結(jié)構(gòu)（SEM）。I-L.爵床屬一種Justicia beloperonoides Lindau. 其中，I.赤道面觀（SEM）；J.極面觀（SEM），展示橢圓形極面觀及兩個萌發(fā)溝（箭頭所指）；K.萌發(fā)孔區(qū)域細節(jié)（SEM）；L.花粉外壁結(jié)構(gòu)（SEM）。

圖2.基于CHB分析的唇形分支18個花粉性狀的演化式樣。不同顏色的矩形框表示不同的花粉性狀，矩形框上的數(shù)字表示節(jié)點間花粉性狀狀態(tài)轉(zhuǎn)變

　　被子植物的花粉具有多樣性且攜帶信息，在植物生活史中扮演重要角色，是研究被子植物起源與演化的理想材料。孢子和花粉形態(tài)的研究是孢粉學(xué)的基礎(chǔ)，被廣泛應(yīng)用于植物分類學(xué)與系統(tǒng)發(fā)育、生態(tài)學(xué)、古生物學(xué)、地球與環(huán)境科學(xué)、農(nóng)學(xué)、林學(xué)乃至醫(yī)學(xué)等研究中。近二十多年來，隨著分子系統(tǒng)學(xué)的不斷發(fā)展，科研人員利用花粉性狀尋找關(guān)鍵證據(jù)和新線索，有可能重新審視被子植物目及以上主要分支和科及以下主要分類階元的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系；亟需重新甄別花粉性狀的同源性和同塑性，更清晰和全面地認識花粉形態(tài)演化模式，進而深入探討被子植物花粉形態(tài)多樣化的關(guān)鍵驅(qū)動因子。
　　中國科學(xué)院昆明植物研究所研究員王紅和李德銖帶領(lǐng)的研究團隊，與英國愛丁堡皇家植物園、美國哥倫布州立大學(xué)合作，基于被子植物系統(tǒng)發(fā)育專家組（APG）系統(tǒng)，構(gòu)建大尺度、廣覆蓋、密取樣的大數(shù)據(jù)集，研究和篩選用于揭示被子植物主要分類階元，如目、科、亞科、族、屬有價值的花粉性狀，利用多學(xué)科證據(jù)的有機結(jié)合，開展“被子植物花粉形態(tài)性狀演化及其驅(qū)動因子”的系列研究（Pollen Character Evolutionary Analysis of Angiosperms: Tracing Their Driving Forces）。2015年至2019年，已先后發(fā)表7篇該系列研究論文，包括整個被子植物花粉性狀演化研究框架總覽和方法論介紹（Wortley et al. 2015）、被子植物基部類群（Lu et al. 2015）、單子葉分支（Luo et al. 2015）、基部真雙子葉類群（Zhang et al. 2017）、泛菊亞綱基部類群（Yu et al. 2018）、薔薇分支I的非固氮分支（Tao et al. 2018）、薔薇分支I的固氮分支（Jiang et al. 2019），該系列研究成果有利于深入系統(tǒng)地闡述被子植物花粉多樣性和演化式樣及其驅(qū)動因子和適應(yīng)性進化。
　　近期，研究團隊在被子植物唇形分支（Lamiids）花粉性狀演化研究中取得新進展。唇形分支由唇形目Lamiales、紫草目Boraginales、茄目Solanales、龍膽目Gentianales、絲纓花目Garryales、茶茱萸目Icacinales、水?；縈etteniusales和黃漆姑目Vahliales等8個目組成，全球約有50000余種，包括與人類生活密切相關(guān)的重要農(nóng)作物和廣為栽培的經(jīng)濟植物，如西紅柿、馬鈴薯、辣椒、茄子、煙草、薄荷、咖啡等。該研究基于唇形分支最新的分子系統(tǒng)學(xué)研究，利用9個葉綠體片段（atpB，matK，ndhF，psbBTNH，rbcL，rps4，rps16，trnL-F和trnV-atpE）和1個線粒體片段（rps3）重建該分支的分子系統(tǒng)發(fā)育框架，針對該分支全部8目，選取49科144屬的18個花粉性狀數(shù)據(jù)進行演化重建分析。研究表明，唇形分支花粉形態(tài)具有較高的多樣性，主要表現(xiàn)在花粉形狀、大小、萌發(fā)孔數(shù)目、內(nèi)萌發(fā)孔形狀、覆蓋層上物質(zhì)形狀和覆蓋層紋飾等；研究類群的花粉祖征包括：單粒、等極、球形、圓形極面觀、中等大小、具赤道面分布的三萌發(fā)孔、外萌發(fā)孔溝狀、無覆蓋層上物質(zhì)；該分支中71個科及以上分支的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系得到花粉形態(tài)性狀的支持，為確定一些單系分支、明晰具有爭議關(guān)系的類群提供證據(jù)；唇形分支花粉形態(tài)表現(xiàn)出萌發(fā)孔數(shù)目增加、萌發(fā)孔位置從赤道面分布到周面分布、外壁紋飾由簡單到復(fù)雜的演化趨勢。在此基礎(chǔ)上進一步的演化相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，花粉大小、形狀、萌發(fā)孔類型和外壁紋飾等與傳粉方式、植物生長型、濕度等因子具有相關(guān)性。
　　相關(guān)研究成果以Evolution of Angiosperm Pollen: 8. Lamiids為題，作為該系列文章的第8篇（Yang et al. 2020），發(fā)表在Annals of the Missouri Botanical Garden上。博士生楊麗娥為論文第一作者，王紅和李德銖為論文的通訊作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金國際（地區(qū)）合作重點項目和云南省云嶺學(xué)者人才計劃項目的支持。
　　圖1.唇形分支代表性植物的花粉光鏡、掃描電鏡和透射電鏡圖片。A-D.圓葉牽牛Ipomoea purpurea （L.）Roth. 其中，A.單個花粉粒（LM），具有多萌發(fā)孔（箭頭所指）；B.單個花粉粒（SEM）；C.外壁紋飾（SEM）；D.花粉外壁結(jié)構(gòu)（TEM），箭頭所指為刺（Ec），覆蓋層（T），柱狀層（C），基足層（F）和萌發(fā)孔（AP）。E-H.小牽牛Jacquemontia paniculata（Burm. f.）Hallier f. 其中，E.赤道面觀（SEM）；F.極面觀（SEM）；G.具刺和穿孔狀紋飾的外壁（SEM）；H.花粉外壁結(jié)構(gòu)（SEM）。I-L.爵床屬一種Justicia beloperonoides Lindau. 其中，I.赤道面觀（SEM）；J.極面觀（SEM），展示橢圓形極面觀及兩個萌發(fā)溝（箭頭所指）；K.萌發(fā)孔區(qū)域細節(jié)（SEM）；L.花粉外壁結(jié)構(gòu)（SEM）。
　　圖2.基于CHB分析的唇形分支18個花粉性狀的演化式樣。不同顏色的矩形框表示不同的花粉性狀，矩形框上的數(shù)字表示節(jié)點間花粉性狀狀態(tài)轉(zhuǎn)變
　　

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