Molecular Plant | 复旦大学和宾夕法尼亚州立大学揭示豆科植物的根瘤菌固氮共生进化！

大多数豆科植物可以与根瘤菌固定共生根瘤中的氮，使该家族成为最成功的生态家族之一。由于氮是植物的主要营养素，豆科根瘤与根瘤菌的共生影响全球氮循环和作物产量（Nature | 突破！中科院植生所王二涛团队揭示豆科植物与根瘤菌共生固氮的关键模块！Science | 重磅！剑桥大学Giles Oldroyd课题组阐述植物通过共生微生物促进养分吸收！PNAS | 加拿大麦克马斯特大学研究揭示根瘤菌共生所需的最小基因集！ISME | 英国牛津大学Philip S. Poole团队揭示根瘤菌工程化促进可持续农业发展）。除豆科植物外，结节还出现在其他8个家族中，这些家族属于大型蔷薇类（称为“固氮类”）中的四个科之一。

近日，权威期刊Molecular Plant发表了美国宾夕法尼亚州立大学马红教授和复旦大学黄建勋以及中国科学院昆明植物研究所伊廷双团队合作的最新相关研究成果，题为Nuclear Phylotranscriptomics/Phylogenomics Support Numerous Polyploidization Events and Hypotheses for the Evolution of Rhizobial Nitrogen-Fixing Symbiosis in Fabaceae的研究论文。

豆科（Fabaceae）有765属，约有19,500种，是被子植物的第三大家族，在经济和生态上都很重要，并因其固氮能力进行了深入研究。然而，在亚家族内水平上解决豆科植物系统发育和分化时间的方法是遥不可及的，因此无法重建豆科植物中共生固氮的进化历史。本研究利用了来自391个物种的新测序转录组和基因组的1500多个核基因，以及其他数据集，对涵盖了全部六个亚科的463个豆科和765个属的333个豆科植物的系统发育史进行了高度解析。该亚科最大限度地被支持为单系，其进化枝包括小豆科的亚科Cercidoideae和Detarioideae，而其余的科则是Diparquetioideae和Dialioideae。分子钟估计表明，在K/Pg边界附近的亚科有早期辐射，其特征是生物大灭绝，随后在大约1500万年之内大多数部落级进化枝都出现了分歧。对数千个基因家族的系统遗传学分析支持了Fabaceae的28个WGD/WGT事件，包括Fabaceae祖先和五个亚科的WGD/WGT事件，并获得了对Fabaceae祖先多倍体的进一步分析的支持。通过祖先特征重建和相关基因家族的系统发育分析，研究了豆科中的根瘤菌固氮结瘤的演变，为一到两个向根瘤结瘤继而多次丧失的转换提供了支持。这些结果构成了整个豆科的进一步形态和功能进化分析的基础。

图1. 豆科系统发育概述

图2. Caesalpinioideae的系统发育概述

图3. Papilionoideae系统发育的部分总结

图4. Papilionoideae的NPAAA支系系统发育概要

图5. Papilionoideae的系统发育概述

图6. Fabaceae主要支系的分化时间

图7. 豆科植物中根瘤菌固氮共生的拟议演化史概述

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