American Journal of Botany

Mặc dù bộ gen ti thể chứa nhiều vùng không mã hóa, nhưng có rất ít vùng được khai thác cho các nghiên cứu phát sinh loài giữa các loài khác nhau và địa lý phát sinh giữa các cá thể trong cùng một loài. Trong đánh giá gần đây của chúng tôi về khả năng phát sinh loài của 21 vùng không mã hóa của bộ gen ti thể, chúng tôi nhận thấy rằng các vùng không mã hóa được sử dụng rộng rãi nhất lại là những vùng ít biến đổi, trong khi các vùng có tính biến đổi cao hơn lại hiếm khi được sử dụng. Nghiên cứu đó đã dẫn chúng tôi đến kết luận rằng có thể có những vùng chưa được khám phá trong bộ gen ti thể có mức độ biến đổi tương đối cao hơn nữa. Để khám phá khả năng biến đổi của các vùng chưa được nghiên cứu trước đó, chúng tôi đã so sánh ba cặp chuỗi gen ti thể đơn bản trong ba nhánh thực vật một lá mầm khác nhau: Atropa vs. Nicotiana (asterid); Lotus vs. Medicago (rosid); và Saccharum vs. Oryza (monocot). Ba lần căn chỉnh chuỗi gen này đã làm nổi bật 13 điểm đột biến có thể biến đổi nhiều hơn những vùng tốt nhất trong nghiên cứu trước đó của chúng tôi. 13 vùng này đã được chọn để phân tích chi tiết hơn. Tại đây, chúng tôi chỉ ra rằng chín trong số những vùng mới được khám phá này (rpl32‐trnL^(UAG), trnQ^(UUG)‐5′rps16, 3′trnV^(UAC)‐ndhC, ndhF‐rpl32, psbD‐trnT^(GGU), psbJ‐petA, 3′rps16–5′trnK^(UUU), atpI‐atpH, và petL‐psbE) cung cấp mức độ biến đổi tốt hơn so với các vùng tốt nhất được xác định trong nghiên cứu trước của chúng tôi và do đó có khả năng là lựa chọn tốt nhất cho các nghiên cứu phân tử ở các cấp độ phân loại thấp hơn.

Các trình tự DNA của ti thể lục lạp là nguồn dữ liệu chính cho các nghiên cứu hệ thống phân loại phân tử thực vật. Một vài tài liệu quan trọng đã cung cấp cho cộng đồng hệ thống phân loại phân tử những cặp mồi phổ quát cho các vùng không mã hóa chiếm ưu thế trong lĩnh vực này, cụ thể là trnL‐trnF và trnK/matK. Hai vùng này đã cung cấp thông tin đầy đủ để xác định mối quan hệ giữa các loài trong một số nhóm taxon, nhưng thường không cung cấp đủ độ phân giải ở các mức phân loại thấp. Để đạt được độ phân giải phát sinh chủng loài tốt hơn, dữ liệu trình tự từ các vùng này thường được kết hợp với các dữ liệu trình tự khác. Việc chọn lựa một vùng cpDNA phù hợp cho nghiên cứu phát sinh chủng loài là rất khó khăn do thiếu thông tin về tốc độ tiến hóa giữa các vùng cpDNA không mã hóa khác nhau. Mục tiêu của cuộc điều tra này là xác định xem có sự không đồng nhất về tốc độ nào có thể dự đoán được giữa 21 vùng cpDNA không mã hóa được xác định là hữu ích về mặt phát sinh chủng loài ở mức thấp hay không. Để kiểm tra sự không đồng nhất về tốc độ giữa các vùng cpDNA khác nhau, chúng tôi đã sử dụng ba loài từ mỗi nhóm trong số 10 nhóm đại diện cho tám dòng phát sinh chính của phanerogams. Kết quả của nghiên cứu này rõ ràng cho thấy rằng một khảo sát với chỉ ba loài đại diện cũng có thể dự đoán được lượng thông tin phát sinh chủng loài mà một vùng cpDNA cung cấp và rằng sự không đồng nhất về tốc độ tồn tại giữa các vùng cpDNA không mã hóa.

Đã phát triển một hệ thống phân loại các đặc trưng kiến trúc của lá song tính—tức là, vị trí và hình dạng của những yếu tố tạo nên biểu hiện bên ngoài của cấu trúc lá, bao gồm hình dạng, cấu hình lề, hệ thống gân, và vị trí tuyến—như là kết quả của một cuộc khảo sát rộng rãi về cả lá sống và lá hóa thạch. Hệ thống này một phần kết hợp các điều chỉnh từ hai phân loại trước đó: phân loại của Turrill về hình dạng lá và phân loại của Von Ettingshausen về mẫu gân. Sau khi phân loại các đặc trưng như hình dạng của toàn bộ lá và của đỉnh và đáy, các lá được phân tách thành một số lớp phụ thuộc vào hướng của hệ gân chính. Việc xác định thứ tự gân, điều này là nền tảng cho việc áp dụng phân loại, được xác định bởi kích thước của một gân tại điểm bắt đầu của nó và ở mức độ ít hơn là hành vi của nó liên quan đến các thứ tự khác. Phân loại kết thúc bằng việc mô tả các đặc trưng của các khoang tế bào, tức là, các khu vực nhỏ nhất của mô lá được bao quanh bởi các gân, tạo ra một trường liên tục trên hầu hết bề mặt lá. Bởi vì hầu hết các taxa của lá song tính đều sở hữu các mẫu kiến trúc lá nhất quán, phương pháp mô tả nghiêm ngặt này về các đặc trưng của lá là vô cùng hữu ích ngay cả trong các nghiên cứu phân loại hiện đại và hóa thạch. Ngoài ra, nhờ kết quả của phương pháp này, dự kiến rằng các lá sẽ đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong các nghiên cứu phát sinh loài và sinh thái.

Phân tích hệ phát sinh chủng loại của 330 trình tự gen plastid matK, đại diện cho 235 giống từ 37 trên 39 tộc, và bốn taxa ngoài nhóm từ eurosids I hỗ trợ nhiều nhánh con được phân giải rõ ràng trong họ Đậu (Leguminosae). Những kết quả này nói chung nhất quán với những gì được rút ra từ dữ liệu trình tự plastid khác (rbcL và trnL), nhưng cho thấy mức độ phân giải và hỗ trợ nhánh cao hơn tổng thể. Cụ thể, tính đơn nguyên của tông Papilionoideae và ít nhất bảy nhánh lớn được hỗ trợ tốt bởi giá trị bootstrapping và độ tin cậy của Bayesian. Các nhánh này được công nhận không chính thức là nhánh Cladrastis, genistoid sensu lato, dalbergioid sensu lato, mirbelioid, millettioid, và robinioid, cùng với nhánh thiếu lặp lại đảo ngược (IRLC). Nhánh genistoid được mở rộng để bao gồm các giống như Poecilanthe, Cyclolobium, Bowdichia, và Diplotropis và do đó chứa hầu hết các giống papilionoid được biết đến có khả năng sản xuất alkaloid quinolizidine. Nhánh dalbergioid được mở rộng để bao gồm tông Amorpheae. Nhánh mirbelioid bao gồm các tông Bossiaeeae và Mirbelieae, với Hypocalypteae là nhóm chị em của nó. Nhánh millettioid bao gồm hai nhánh con lớn tương ứng với các tông Millettieae và Phaseoleae và đại diện cho nhánh papilionoid lớn duy nhất được đánh dấu bởi một apomorphy hình thái học vĩ mô, cụm hoa giả chùm. Nhánh robinioid được mở rộng để bao gồm Sesbania và các thành viên của tông Loteae. IRLC, nhánh có nhiều loài nhất, là chị em với robinioids. Phân tích dữ liệu matK liên tục xác định nhưng hỗ trợ khiêm tốn một nhánh bao gồm các taxa papilionoid tích lũy canavanine trong hạt. Điều này gợi ý một nguồn gốc đơn nhất cho sự tổng hợp sinh học của axit amin không protein được sản xuất phổ biến nhất trong họ đậu.

• Đặt vấn đề nghiên cứu: Những phân tích gần đây sử dụng tối đa năm gen đã cung cấp nhiều hiểu biết về hệ phả hệ của thực vật hạt kín, nhưng nhiều mối quan hệ vẫn chưa được làm rõ hoặc hỗ trợ yếu. Với hy vọng cải thiện hiểu biết của chúng tôi về hệ phả hệ thực vật hạt kín, chúng tôi đã mở rộng mẫu vật và gen vượt ra ngoài những phân tích trước đây.

• Phương pháp: Chúng tôi đã thực hiện hai phân tích chính dựa trên 640 loài đại diện cho 330 họ. Phân tích đầu tiên bao gồm 25260 cặp căn cứ đã căn chỉnh (bp) từ 17 gen (đại diện cho cả ba hệ gen thực vật, tức là nhân, plastid và ti thể). Phân tích thứ hai bao gồm 19846 bp đã căn chỉnh từ 13 gen (chỉ đại diện cho nhân và plastid).

• Kết quả chính: Nhiều câu hỏi quan trọng về các mối quan hệ ở cấp độ sâu trong thực vật hạt kín không đơn lá đã được giải quyết với sự hỗ trợ mạnh mẽ. Amborellaceae, Nymphaeales và Austrobaileyales là các chi chị em liên tiếp với các thực vật hạt kín còn lại (Mesangiospermae), được phân thành Chloranthales + Magnoliidae như là chi chị em với Monocotyledoneae + [Ceratophyllaceae + Eudicotyledoneae]. Eudicotyledoneae chứa một nhánh cơ bản hỗ trợ Gunneridae. Trong Gunneridae, Gunnerales là chị em với phần còn lại (Pentapetalae), bao gồm (1) Superrosidae, bao gồm Rosidae (bao gồm Vitaceae) và Saxifragales; và (2) Superasteridae, bao gồm Berberidopsidales, Santalales, Caryophyllales, Asteridae, và, dựa trên nghiên cứu này, Dilleniaceae (mặc dù các phân tích gần đây khác không đồng ý với vị trí này). Trong các nhánh chính của Pentapetalae, hầu hết các mối quan hệ cấp độ sâu đã được giải quyết với sự hỗ trợ mạnh mẽ.

• Kết luận: Các phân tích của chúng tôi xác nhận rằng với một lượng lớn dữ liệu trình tự, hầu hết các mối quan hệ cấp độ sâu trong các thực vật hạt kín có thể được giải quyết. Chúng tôi dự kiến rằng cây phả hệ được làm rõ tốt về thực vật hạt kín này sẽ có tính hữu dụng rộng rãi cho nhiều lĩnh vực sinh học, bao gồm sinh lý học, sinh thái học, cổ sinh vật học và gen học.

Phạm vi kích thước rộng rãi của tracheids ở thực vật hạt đứng và mạch của thực vật hạt kín có những hệ quả quan trọng cho chức năng. Trong cả hai loại ống dẫn, kích thước lớn hơn đem lại hiệu quả dẫn truyền tốt hơn. Lợi ích về hiệu quả khi tăng kích thước được tối đa hóa thông qua việc kiểm soát hình dạng của ống dẫn, giúp cân bằng giữa sức cản của tường cuối và lòng ống. Mặc dù mạch dài hơn một bậc so với tracheids cùng đường kính, chúng không nhất thiết phải hiệu quả hơn vì thiếu sức cản tường cuối thấp như ở các tracheids có lỗ torus-margo. Thay vào đó, mạch đạt được hiệu quả dẫn truyền cao hơn so với tracheids thông qua việc đạt được đường kính tối đa rộng hơn. Tường cuối đóng góp từ 56-64% vào tổng sức cản của xylem trong cả hai loại ống dẫn, cho thấy chiều dài giới hạn hiệu quả dẫn truyền. Kích thước của tracheid có thể bị giới hạn nhiều hơn bởi tính đơn bào và nhu cầu cung cấp độ bền cho gỗ đồng cấu hơn là bởi nhu cầu bảo vệ chống lại hiện tượng thủng khí. Ngược lại, kích thước lớn hơn của mạch đa bào được hỗ trợ bởi các sợi tăng cường độ bền cho gỗ dị cấu. Kích thước của mạch có thể bị giới hạn nhiều nhất bởi nhu cầu kiềm chế việc tạo lỗ và hiện tượng thủng khí. Những môi trường khắc nghiệt thúc đẩy sự hình thành mạch hẹp có thể ủng hộ sự đồng tồn tại của thực vật hạt đứng và thực vật hạt kín. Sự tiến hóa của mạch trong gỗ thực vật hạt kín có thể yêu cầu các cây hạt kín sớm phải sống sót qua một giai đoạn không ổn định về cơ học và thủy lực.

Lĩnh vực hệ thống phân loại phân tử thực vật đang mở rộng nhanh chóng, đi kèm với đó là sự xuất hiện của các phương pháp mới và cải tiến. Bài báo này tổng hợp những tiến bộ gần đây trong các phương pháp thí nghiệm và phân tích dữ liệu, ứng dụng cho bộ gen lạp thể. Việc lập bản đồ vị trí cắt của bộ gen lạp thể đã được sử dụng rộng rãi, nhưng bị hạn chế về mức độ phân loại mà nó có thể áp dụng. Các giới hạn trên (tức là, độ phân ly lớn nhất) của ứng dụng này đang được khám phá bằng cách lập bản đồ vùng đảo ngược của lạp thể, nơi mà tỷ lệ thay thế nucleotide khá thấp. Các giới hạn dưới của độ phân ly có thể nghiên cứu bằng vị trí cắt đang được kiểm tra bằng cách sử dụng các enzym cắt có vị trí nhận diện 4 base để phân tích các phần của bộ gen lạp thể được khuếch đại qua phản ứng chuỗi polymerase (PCR) có tốc độ tiến hóa nhanh. So sánh các trình tự DNA là lĩnh vực hệ thống phân loại phân tử đang có những tiến bộ lớn nhất. PCR và các phương pháp trực tiếp phân tích trình tự các sản phẩm PCR đã dẫn đến việc dữ liệu trình tự gia tăng mạnh mẽ. Về lý thuyết, bất kỳ mức độ phân ly nào đều có thể áp dụng cho các nghiên cứu trình tự so sánh. Trong thực tế, các nhà hệ thống phân loại thực vật đã tập trung vào hai trình tự tiến hóa chậm (rbcL và các gen rRNA). Các trình tự DNA tiến hóa nhanh hơn, bao gồm các gen lạp thể thay đổi nhanh chóng, các intron trong lạp thể, và các khoảng không gian giữa các gen, cũng như các phần không mã hóa của lặp ribosomal RNA hạt nhân, cũng đang được nghiên cứu cho mục đích so sánh. Những lợi thế và bất lợi tương đối của việc lập bản đồ vị trí cắt so sánh và phân tích trình tự DNA được đánh giá. Đối với cả hai phương pháp, phân tích dữ liệu thu được yêu cầu đủ mẫu phân loại và đặc điểm để đạt được ước lượng tốt nhất có thể về mối quan hệ phát sinh loài. Phân tích parsimony đặc biệt nhạy cảm với vấn đề lấy mẫu phân loại do sự cố gắng của các nhánh dài trên một cây. Tuy nhiên, các tập dữ liệu với nhiều loài có thể gây ra những khó khăn tính toán nghiêm trọng mà có thể dẫn đến việc không thể đạt được tối đa tính parsimony hoặc tìm ra tất cả các cây ngắn nhất.

Các liên kết hợp sinh giữa cây trồng và nấm mycorrhiza arbuscular rất phổ biến và có tầm quan trọng sinh thái ở nhiều vùng thảo nguyên. Những khác biệt trong phản ứng của các loài đối với sự thực dân mycorrhiza có thể ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc cộng đồng thực vật. Phản ứng sinh trưởng của 36 loài cỏ thảo nguyên mùa nóng và mùa mát cùng với 59 loài cây hoa thảo nguyên đã được đánh giá trong các nghiên cứu trong nhà kính nhằm kiểm tra mức độ biến thiên giữa các loài về lợi ích từ sự cộng sinh cũng như các mô hình phụ thuộc vào mycorrhiza giữa các nhóm thực vật chủ theo lịch sử sống (ví dụ: hàng năm, lâu năm) và phân loại (ví dụ: cỏ, cây hoa, đậu, không phải đậu) cùng với các nhóm phenology. Có mối quan hệ mạnh mẽ và đáng kể giữa hiện tượng phenology của cỏ thảo nguyên và khả năng phản ứng với mycorrhiza, tuy nhiên mối quan hệ này ít rõ ràng hơn ở các loài cây hoa. Các loài cỏ C₄ mùa nóng lâu năm và cây hoa thường được hưởng lợi đáng kể từ sự cộng sinh mycorrhiza, trong khi sản lượng sinh khối của các loài cỏ C₃ mùa mát không bị ảnh hưởng. Hệ rễ của các loài cỏ mùa mát cũng bị thực dân ít hơn bởi nấm AM, so với các loài cỏ mùa nóng hoặc cây hoa. Khác với các loài lâu năm bản địa, các loài hàng năm thường không phản ứng với sự thực dân mycorrhiza và có tỷ lệ thực dân rễ thấp hơn so với các loài lâu năm. Phản ứng sinh trưởng của cây và sự thực dân rễ AM có mối tương quan tích cực với nhau ở các loài không phải đậu, trong đó mối quan hệ này mạnh nhất ở các loài cỏ mùa mát. Ngược lại, sự thực dân rễ của các loài đậu thảo nguyên cho thấy mối quan hệ đáng kể nhưng tiêu cực với khả năng phản ứng sinh trưởng của mycorrhiza.

Trong bài báo này, chúng tôi tập trung vào sinh thái học của cá tảo độc, sự sản xuất độc tố, hồ sơ hóa thạch và phân tích hệ gen phân tử của các vật chủ và plastid. Những vấn đề sinh thái đáng quan tâm là hành vi bơi lội và ăn uống, hiện tượng phát quang sinh học và sự hợp sinh của cá tảo độc với san hô. Nhiều loại độc tố của cá tảo độc, ảnh hưởng sinh học của chúng và kiến thức hiện tại về nguồn gốc của chúng được thảo luận. Kiến thức về tiến hóa của cá tảo độc được hỗ trợ bởi một hồ sơ hóa thạch phong phú có thể được sử dụng để ghi chép sự xuất hiện và đa dạng hóa của chúng. Tuy nhiên, các nghiên cứu sinh hóa sinh học gần đây cho thấy cá tảo độc có thể cổ xưa hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây. Một đặc điểm đáng chú ý của cá tảo độc là cấu trúc gen độc đáo và sự điều hòa gen của chúng. Bộ gen hạt nhân của tảo thuộc nhóm này có kích thước khổng lồ, thiếu nucleosome và có nhiễm sắc thể vĩnh viễn bị ngưng tụ. Chương này tổng hợp kiến thức hiện tại về sự điều hòa gen và phiên mã ở cá tảo độc liên quan đến những khía cạnh độc đáo của bộ gen hạt nhân. Các công trình trước đây cho thấy bộ gen plastid của cá tảo độc điển hình đã được giảm xuống thành các vòng nhỏ chứa một gen duy nhất chỉ mã hóa một số lượng nhỏ protein. Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng phần lớn bộ gen plastid đã được chuyển đến hạt nhân, làm cho cá tảo độc trở thành nhóm eukaryote duy nhất mã hóa phần lớn các gen plastid điển hình trong hạt nhân. Sự tiến hóa của plastid ở cá tảo độc và ý nghĩa của những kết quả này đối với việc hiểu sự tiến hóa của bộ gen ti thể được thảo luận.

Mối quan hệ giữa độ phản xạ bức xạ hồng ngoại gần ở bước sóng 800 nm (NIRR) từ lá và các đặc điểm cấu trúc của lá được biết là ảnh hưởng đến quang hợp đã được điều tra trong 48 loài thực vật hạt kín núi cao. Bước sóng này được chọn để phân biệt ảnh hưởng của cấu trúc lá so với thành phần hóa học hoặc hàm lượng nước trong độ phản xạ của lá. Đầu tiên, một mô hình định lượng đã được xây dựng để tương quan NIRR với các đặc trưng cấu trúc của lá cho sáu loài, và sau đó được xác thực bằng cách sử dụng tất cả 48 loài. Trong số các đặc điểm cấu trúc được kiểm tra trong mô hình phản xạ có mật độ lông lá, sự hiện diện hoặc vắng mặt của màu sắc hai lá và một lớp cuticle lá dày (>1 μm), độ dày của lá, tỷ lệ độ dày của mô palisade so với mô xốp (PM/SM), tỷ lệ phần trăm mô bị không gian khí giữa các tế bào (%IAS), và tỷ lệ diện tích bề mặt tế bào mô tiếp xúc với không gian khí giữa các tế bào (A_mes) trên một đơn vị diện tích bề mặt lá (A), hoặc A_mes/A. Phân tích hồi quy đa biến cho thấy NIRR được đo có tương quan cao với A_mes/A, sự chuyển màu của lá, và sự hiện diện của lớp cuticle lá dày (r² = 0.93). Ngược lại, các mối tương quan giữa NIRR và mật độ lông lá, độ dày lá, tỷ lệ PM/SM, hoặc %IAS tương đối yếu (r² < 0.25). Một mô hình kết hợp A_mes/A, sự chuyển màu của lá, và độ dày cuticle đã dự đoán NIRR chính xác cho 48 loài (r² = 0.43; P < 0.01) và có thể hữu ích trong việc liên kết dữ liệu cảm biến từ xa với cấu trúc và chức năng của thực vật.