芍药科基于基因组学的系统发育和进化研究

芍药科（只有芍药属，包括牡丹与芍药）是著名花卉和药用植物，吸引了学者的高度关注。芍药科在被子植物中的系统位置显得孤立。基于形态得出其近亲为毛茛类、五桠果类等不同结论，依据数个基因片段的分子数据的结论则为虎耳草目、金虎尾目等。在属内的系统发育研究方面，至今应用6个叶绿体基因和4个核基因片段构建的基因树分辨率不够高、不同基因树相冲突，未能深刻揭示芍药科物种之间的系统发育关系。本项目拟1）测定芍药科及其相关类群的叶绿体和线粒体基因组全序列，分析这两个基因组的进化规律，确定芍药科的系统位置，探明其系统位置难决的原因；2）测定芍药科转录组，根据转录组序列筛选足够量（约100个）的单拷贝或寡拷贝核基因，构建全部物种的高分辨率分子树，揭示物种之间的系统发育关系，探讨物种形成的过程和机制，分析芍药属现代分布格局的成因；3）在建立准确的物种关系的基础上，追溯栽培牡丹的起源，揭示牡丹多姿多彩的成因。

芍药科（只有芍药属，包括牡丹与芍药）是著名花卉和药用植物，其形态特征独特，系统位置孤立，近缘关系仍不确定。芍药属物种分布于欧亚大陆，这些物种的发生、发展及其地理上的渊源关系不清楚。牡丹是我国国花，有几千个栽培品种。这些品种，尤其是传统品种如何形成还不得而知。这些以前难以回答的进化生物学问题随着基因组时代的来临而可以得到解决。本项目测定了3个代表物种的叶绿体基因组和芍药的转录组，开发了12个高分辨率叶绿体基因标记和35个核基因位点，1）确定了芍药科的系统位置；2）构建了芍药属物种之间的系统发育关系，探讨了其现代分布格局的成因；3）追溯了牡丹传统栽培品种的起源。基于81个叶绿体基因组的进化基因组学研究结果显示，芍药科属于虎耳草目，介于木本类和草本类之间。芍药属已经分化为3个谱系，分别对应3个组，其中牡丹组的分化较早。芍药组的物种起源于东亚，有至少两次向欧洲扩散事件，其中第二次扩散事件分化出更多的物种。牡丹在中国的栽培有1400多年的历史，保存至今的栽培品种基本上是种间杂交形成的。我们的“花中之王”的形成涉及5个分布于中原的野生种。这些传统栽培品种是现代牡丹栽培品种的源泉，必须加以保护。.本项目是进化基因组学研究的范例，不仅解决了芍药科的进化生物学问题，在研究过程中产生的叶绿体基因组数据、方法和结果对推动本学科的发展具有重要意义。.本项目有两个突出的创新点：一是利用转录组开发多个单拷贝核基因，构建了可靠的物种树；二是揭示了栽培植物起源的一种新的、独特的方式。