植物分类学报 46 (6): 795–807 (2008)

Journal of Systematics and Evolution (formerly Acta Phytotaxonomica Sinica)

doi: 10.3724/SP.J.1002.2008.08081

www.51wendang.com

基因树冲突与系统发育基因组学研究

邹新慧 葛 颂*

(系统与进化植物学国家重点实验室, 中国科学院植物研究所 北京 100093)

Conflicting gene trees and phylogenomics

Xin-Hui ZOU Song GE*

(State Key Laboratory of Systematic and Evolutionary Botany, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China)

Abstract With more and more sequence data available, it has been a widespread practice to apply multiple

genes to reconstruct phylogenies at different hierarchical levels. The phenomenon of conflicting gene trees has accordingly become a remarkable and difficult problem. It is increasingly understood that the difference between gene tree and species tree and the causes behind should be fully appreciated in molecular phylogenetic studies. In this paper, we have explored the major causes resulting in conflicting gene trees, including stochastic errors, systematic errors and biological factors. We also introduced a newly developed discipline, phylogenomics, and demonstrated its power and great potential in resolving difficult phylogenetic problems using our recent phyloge-nomic study of Oryza as an example. Furthermore, we discussed some strategies and approaches in elucidating conflicting gene trees and provided some suggestions and recommendations for molecular phylogenetic studies using multiple genes.

Key words conflicting gene trees, gene tree, molecular phylogenetics, phylogenomics, species tree.

摘要 随着越来越多的基因序列被运用于系统发育重建中, 随之产生的基因树冲突已成为分子系统发育研究中日益突出的问题。因此, 在分子系统发育研究中, 应正确理解基因树和物种树之间的差异, 充分注意和分析基因树冲突的原因, 正确解释分子系统发育的结果。本文通过一些典型实例分析了在多基因系统发育研究中引发基因树冲突的三类主要原因: 随机误差、系统误差和生物学因素。在此基础上, 对近年来兴起的系统发育基因组学进行了介绍, 并以稻属Oryza研究为例, 阐述了系统发育基因组学方法在解决基因树冲突以及系统发育研究中的优势和应用价值, 并进一步探讨了解决基因树冲突的策略和方法, 以期为分子系统发育研究提供一些启示和帮助。

关键词 基因树冲突; 基因树; 分子系统发育学; 系统发育基因组学; 物种树

地球上的一切生命形式都有一个共同的起源, 无论动物、植物、真菌、原生生物, 还是原核生物, 它们都藉由一部共同的进化历史而有着或近或远的关联。重建所有生物的进化历史并以一种树状结构即系统发育树(phylogenetic tree)的形式来表示生物类群之间的进化关系, 一直是系统发育学研究的核心问题, 也是进化生物学研究的重要内容之一(Li, 1997; Futuyma, 1998; Nei & Kumar, 2000)。建立可靠的系统发育关系不仅是生物分类和命名的基础, 也是阐明类群起源和扩散、探讨性状演化以及揭示物种形成机制的前提(Futuyma, 1998; Soltis & Soltis, 2000)。

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2008-06-10收稿, 2008-08-02收修改稿。

* 通讯作者(Author for correspondence. E-mail: gesong@ibcas.ac.cn; Tel.: 86-10-62836097; Fax: 86-10-62590843)。

早在19世纪中叶, 德国生物学家海克尔就发表了他著名的“系统树”, 将整个生命世界形象地描绘成一棵大树(Haeckel, 1866)。在随后的100多年里, 生物学家们主要通过表型特征如形态、解剖、生理等性状进行物种间进化关系的研究, 为生命之树构筑了基本框架, 但这棵大树仍存在大量的缺失环节(Futuyma, 1998)。20世纪60年代以后, 随着分子生物学技术的迅猛发展, 分子数据开始被广泛运用于系统发育研究, 如蛋白质电泳、DNA-DNA杂交、免疫学等(Crawford, 2000)。自20世纪80年代以后, 随着PCR (polymerase chain reaction)技术的出现以及DNA测序技术的不断完善, 利用大量分子序列资料进行系统发育重建成为可能。分子数据, 尤其是DNA序列, 其数据的丰富性、在所有生物体中的可比性, 以及数据分析的规范性等特点使它成为进化