棕櫚植物和我們的故事

陳大娟 王華鋒

棕櫚科是棕櫚目中物種十分豐富的一個分支，也是被子植物中一個形態(tài)多樣性極大的科。棕櫚科廣泛分布于全球熱帶和亞熱帶地區(qū)，其中的許多物種都存在重要的經(jīng)濟、藥用及觀賞價值。近年來，雖然已有對棕櫚科葉綠體結(jié)構(gòu)的研究，也出現(xiàn)過使用基因片段推斷其系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的報道，但對棕櫚科葉綠體結(jié)構(gòu)進行全面分析仍是必不可少的。

筆者作為海南大學生命科學學院2020級碩士研究生（陳大娟）及其導師（王華鋒），同為本校生物多樣性和系統(tǒng)發(fā)育基因組學團隊的成員。本團隊以遺傳學和生物信息學為技術(shù)手段，主要研究內(nèi)容包括：通過構(gòu)建植物“生命之樹”重建植物進化的時空過程，研究基因組進化的過程和規(guī)律，鉆研關(guān)鍵形態(tài)性狀發(fā)育和進化的遺傳、分子和生態(tài)機制等；揭示重要性狀的起源和進化過程以及植物現(xiàn)代分布格局的成因；探討適應(yīng)性進化的基因組基礎(chǔ)并在此基礎(chǔ)上開展種植資源的保存和創(chuàng)新工作。王華鋒教授自2017年12月在海南大學任職以來，在《自然》（Nature）、《美國國家科學院院報》（PNAS）、《植物分類學報》（Journal of Systematics and Evolution）、《分子系統(tǒng)發(fā)育與進化》（Molecular Phylogenetics and Evolution）等期刊發(fā)表論文70余篇，其中以第一作者或者通訊作者發(fā)表在中國科學院二區(qū)以上的SCI論文有20余篇。近來，我們在棕櫚科葉綠體基因組的研究中獲得重大進展（文章鏈接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2022.960588）。在這項研究中，我們獲取了74個棕櫚科植物葉綠體的基因組，對棕櫚科葉綠體基因組的結(jié)構(gòu)特征進行了全面分析，比較基因序列間的差異性，推斷系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，重建了物種分歧時間和祖征。

基于全葉綠體基因組和多個數(shù)據(jù)集，我們通過ML/BI（最大似然法／貝葉斯法）分析的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系支持棕櫚科的5個亞科均為單系，亞科間的關(guān)系得到強大支持，且部分族／屬之間的關(guān)系也得到了很好支持。結(jié)果顯示，所有的棕櫚科葉綠體基因組均呈現(xiàn)典型的四分體結(jié)構(gòu)，其大小范圍在153 806—160 122 bp之間，共有130—137個基因，其中有76—82個蛋白質(zhì)編碼基因，29—32個tRNA 基因和4個rRNA基因。此外，葉綠體基因組總GC含量（鳥嘌呤和胞嘧啶占比）為36.9—37.7%。SC/IR（反向重復／單拷貝）區(qū)邊界的差異分析結(jié)果顯示，IR區(qū)在邊界上出現(xiàn)了擴張與收縮現(xiàn)象。系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系結(jié)果表明，棕櫚科五個亞科均為單系，蠟椰亞科與檳榔亞科為姐妹類群（BS/PP =100%/1）。分歧時間分析顯示棕櫚科的多樣化發(fā)生于中白堊時期的96.60 [84.90-107.60]Ma（Ma為地質(zhì)時間單位，表示“百萬年前”），干群分化年齡為102.40 [93.44-111.17]Ma。由祖先性狀的重建分析可推斷，棕櫚科的祖先性狀特征為：雌雄同株、種子數(shù)量1枚、雄蕊數(shù)量6枚及果皮光滑。

棕櫚科各亞科的代表植物

棕櫚科葉綠體基因組圖譜

本研究所新測序的葉綠體基因組資源將在今后為棕櫚科的物種鑒定與進化、遺傳多樣性和系統(tǒng)發(fā)育方面的分析研究提供幫助。但在本研究的系統(tǒng)發(fā)育分析中仍存在一些局限性，因此在未來的研究中需要增加樣本的采集量，增加整個葉綠體基因組的數(shù)據(jù)可用性，并使用核基因數(shù)據(jù)支持大規(guī)模的推斷關(guān)系。為此，我們可以更全面地比較、分析和討論棕櫚科植物的系統(tǒng)發(fā)育與進化。

采樣是科研活動的基礎(chǔ)工作，因此野外考察是必不可少的。我（陳大娟）第一次出差采樣是在研究生一年級剛?cè)雽W的時候，跟著高我一年級的柯柯師姐到瓊海的海南盛大現(xiàn)代農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司采取課題組做植物系統(tǒng)進化研究所需的用于提取DNA的樣本。九月份的海南，天氣還是十分炎熱的。由于缺乏經(jīng)驗，我當天沒有做好防曬、防蚊、防蟲等措施，穿得很清涼。于是，我切實感受到了無處不在的蚊子的“熱情”，手腳全是蚊子包。這也成為了我去瓊海采樣的證據(jù)。

基于整個葉綠體基因組數(shù)據(jù)集構(gòu)建的ML和Bl樹

在課題組學習了一段時間之后，為了我的課題研究能順利開展，王華鋒老師讓我到離海南大學海甸校區(qū)幾十公里遠的海南金棕櫚熱帶園林研究院科研基地去采集棕櫚科樣本。那時并沒有直達的班車，因此我需要轉(zhuǎn)車兩次才能到達目的地?？蒲谢氐膹埧値胰チ嘶氐淖貦皥@區(qū)，并向我簡單介紹了園區(qū)的棕櫚植物種植及研究情況，之后便讓我自行采取自己所需的樣本。我孤身一人用枝剪刀剪取材料，寫物種名，掛標簽，一個物種樣本又一個物種樣本地處理，直到把園區(qū)里的棕櫚科植物樣本都采取完。那時候?qū)ξ襾碚f，獨自在太陽底下采樣挺困難的，但是，為了自己的課題總得學會自力更生。累了可以休息，熱了可以乘涼，然而就是不能放棄或停止，無論如何都要堅持把樣本采完。最后，我終于順利地采完了樣。

在做課題期間，我也曾三次到?？诮鹋X公園里的棕櫚園區(qū)學習識別棕櫚科植物，通過形態(tài)特征來辨認物種。剛開始認植物之時，我犯過不少錯誤，比如：總是把大王棕與狐尾椰兩個物種認混，總覺得這它們是同一物種，一律把它們認作狐尾椰；認的植物不全，甚至對于常見的蒲葵，也經(jīng)常認不出來。我也去其他公園認過各類植物，尤其是白沙門公園，每隔三四個月就會與王華鋒老師和師兄師姐去。我們在各大植物園區(qū)里調(diào)查植物種類，畢竟“要多認植物，多思考植物”——這是王老師經(jīng)常對我們說的。經(jīng)過長時間的訓練，我終于能夠通過形態(tài)特征來區(qū)分某一棕櫚科的植物到底屬于哪個亞科哪個物種了。除此之外，當然也少不了2021年暑假去五指山野外采樣的經(jīng)歷。在深山里采樣時所經(jīng)歷的事，是多么讓人難以忘懷啊！當我們穿梭于繁茂的樹木下時，書包、衣服都會時不時地被樹枝拉扯。如果周圍幾乎都是棕櫚科省藤亞科的植物，那么書包、衣服還可能被刺勾到并拉破，從而阻礙我們前進。在向前攀爬時，需要抓住前面樹枝以借力，但如果周圍基本上都是省藤亞科的物種，那么就會變得到處是刺，讓人不知該伸手抓住何處。這時就只能抓住其他科屬的小樹枝，卻往往因土壤松軟，小樹枝承受不了大力拉扯而被拔出，同時腳下的土一踩一塌，于是腳越是往上蹬，身體越是下滑。最后，我們終于找到了結(jié)實點的樹枝，踩掉了表面松塌的土，艱難地爬上了山頂。從山頂下山的路相比上山的路就好太多了。雖然周邊還是會有省藤亞科的物種，但不會生長得那么密集，比較容易通過。下到半山腰時，我們找到了一條蜿蜒的小山路，比較陡，但還算好走，只被落葉覆蓋了表面。站著下山會因小路陡滑而速度較快，非常容易摔倒，因此我們便降低重心、側(cè)身下山，可是這樣久了也會累，最后我跟小伙伴直接坐下，沿著小路滑下來?；械倪^程居然有點好玩，甚至有點刺激，就是太費褲子，幸好褲子耐磨。上山艱難，下山刺激，這般有趣又有挑戰(zhàn)性的經(jīng)歷，我又怎么會忘記呢？

2021年7月，我們課題組還與中國科學院植物研究所陳之端研究團隊共赴海南五指山，對五指山國家自然保護區(qū)（國家雨林）、五指山南圣自然保護站和五指山紅峽谷文化旅游風景區(qū)等地的植物多樣性進行了考察。這次考察旨在尋找海南稀有物種，對科研而言，能夠通過觀察各類群植物的形態(tài)特征和獲取新物種，促進植物多態(tài)性的研究，更能了解植物在不同環(huán)境下產(chǎn)生的多樣化現(xiàn)象。對自身而言，通過自己親身實地觀察，我對植物的科屬有了更為清晰的認識，在學會植物基本分類的基礎(chǔ)上，又見識了許多植物。在這次考察中，我們以飽滿的精神狀態(tài)踏上熱帶森林國家自然保護區(qū)的采樣之旅。我這回有經(jīng)驗了，提前做好了防曬、防蚊、防螞蟥及其他蟲的準備。帶上裝備，走進雨林，踏上蜿蜒小道，我們在炙熱的太陽下，對沿途植物的多樣性進行考察。在陽光的炙烤下登頂是對意志力的考驗。累了休息一會兒再繼續(xù)攀爬，到棧道終點后，繼續(xù)沿著山道小路往上走，可惜沒能登上頂峰。我們空袋而出，滿載而歸。白天采樣，晚上整樣，每

野外考察與采樣

天重復著同樣的工作，次日還需忍著全身的酸痛繼續(xù)踏上采樣之路。考察的后半程，我們一行人跟著護林員進入深山的森林里采樣。護林員帶我們邊走邊新開辟出一條條曲折險峻的小道，穿行于繁茂的樹林中。越往里走，蟲鳴聲、水流聲越清晰，濕氣也越重。印象最深刻的是陳慶老師帶領(lǐng)我們攀爬紅峽谷風景區(qū)的森林，在光滑的巖石上，每踩一步都需謹慎，腳一旦踩空，后果就不堪設(shè)想。陳老師仿佛會飛檐走壁，輕功了得，一蹦一跳即可輕松往上爬，真不愧是專業(yè)的。再看我們，只能趴在巖石上，手腳并用地緩慢、艱難地往上爬，提心吊膽，瑟瑟發(fā)抖。這可比在高樹深林里穿梭、時不時被棕櫚科省藤亞科的植物刺勾到的經(jīng)歷更讓人刻骨銘心。攀爬巖石實在太驚險了，很難讓人有經(jīng)歷第二次的欲望。

乘興而來，興盡而歸。海南島雖不大，但森林資源豐富，植物種類繁多。暑假一周的五指山的調(diào)查及采樣，讓我見識了很多不曾見到的植物，也經(jīng)歷了從未經(jīng)歷過的事，給我?guī)砹藰O大的收獲，是我讀研過程中一次難以忘懷的采樣之行！

說完采樣經(jīng)歷，不得不提的就數(shù)課題研究中的論文寫作過程了。撰寫論文花時間、費工夫，我痛苦并快樂著。寫作需要耐心與堅持，更考驗我們的心態(tài)，不能著急，需要努力求索，腳踏實地完成。在文章投稿的這三個月里，我遲遲未等到審稿人的回復，甚是擔憂，擔心自己因?qū)懽魉讲疃痪?。但我還是幸運的，我還是等到了審稿人的回復，其中的建議給我?guī)砹讼Ｍ?，讓我看到了曙光。有一位審稿人提出，?yīng)當以一些形態(tài)學特征來證明通過質(zhì)體系統(tǒng)發(fā)育恢復的部族間關(guān)系的合理性。這一問題讓我有些困惑，因為大多數(shù)棕櫚科植物的特征是從祖先特征進化而來，形態(tài)特征似乎是趨同進化的，部落間的形態(tài)特征不易分辨；此外，實驗室收集的分子和形態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集不一致，將分子和形態(tài)學數(shù)據(jù)兩相結(jié)合，較難重現(xiàn)由質(zhì)體系統(tǒng)發(fā)育所恢復的部族間關(guān)系。鑒于審稿人的建議，我不斷地修改完善文章，也很努力去解釋這一問題，盡可能地達到審稿人的要求。我發(fā)現(xiàn)，只要我們肯嘗試去解決所遇到的問題，總會有好的結(jié)果，我的論文終于被接收了！論文寫作沒有捷徑可走，一份耕耘一份收獲，只有一步一個腳印地認真對待，才能獲得成功。

對于海南植物的教學與研究，王華鋒老師總結(jié)了幾條重要的經(jīng)驗，也在指導我做論文的過程中提取了一些心得：

1.多認植物，思考植物。植物分類學是一門重要的基礎(chǔ)學科，它是種質(zhì)資源創(chuàng)新與新品種培育、城市園林建設(shè)與綠色發(fā)展、生物多樣性保護與碳中和的基石。假如不熟悉植物，不知道植物的基本屬性，上述高樓大廈或許根本無從談起。對整個海南省來說，時代需要專門從事植物分類學的人才為南繁育種、國家熱帶雨林公園建設(shè)及自貿(mào)港的綠色發(fā)展貢獻智慧。事實上，海南的植物學有光輝的歷史和傳統(tǒng)，老一輩植物學工作者如林英教授等作出了卓越貢獻，當今時代亟需傳承植物學經(jīng)典，服務(wù)國家和地方需求。

2.因地制宜，因材施教。海南三棵樹（椰子、檳榔和橡膠）有兩棵是棕櫚科的，棕櫚科的椰子是海口市樹。棕櫚科的系統(tǒng)發(fā)育對海南的意義可想而知，它既符合國家戰(zhàn)略定位，又合乎地方特色。我是2020級碩士，海南儋州人，從湘南學院本科畢業(yè)之后，就在王華鋒老師的建議下，于2020年暑假即赴實驗室跟著師兄師姐一起學，同時采集海南棕櫚科的植物。王老師讓我看中國植物志和英文版植物志中棕櫚科的介紹，查閱多種棕櫚科文獻和熟悉軟件，加多個認識植物愛好者群認植物，也如上文所說，讓我去多個地方采集棕櫚科植物。同時，王華鋒團隊也請教了華南植物園的郭麗秀老師，聽取意見和建議。郭老師是世界棕櫚科主席，幫海南大學鑒定了很多棕櫚科的植物，給過許多無私的指導和幫助。

3.立足本土，原始創(chuàng)新?！澳戏薄薄坝N”“熱帶”“濱?！薄@些是關(guān)于海南的熱詞。結(jié)合國家戰(zhàn)略及海南特色的植物資源，王華鋒團隊服務(wù)國家戰(zhàn)略和地方需求，積極貢獻植物學力量與智慧。從科技小院到三區(qū)人才，從熱帶濱海城市到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)推廣公司，科研團隊在熱帶濱海地區(qū)躬行植物分類學應(yīng)用，使其服務(wù)南繁育種和城市建設(shè)，傳承分類學經(jīng)典并不斷發(fā)揚光大，同時讓更多的本科生、研究生和社會公眾獲得更多植物學知識，讓他們知道植物，熟悉植物，愛上植物學，愛上大自然，為祖國培養(yǎng)亟需的植物分類學人才。

全世界棕櫚科約202屬2800余種，我國約有22屬60余種，主要分布在南方各省，是重要的食用、藥用和園林綠化植物。英國邱園和泰國等東南亞國家的植物園有大量的棕櫚科材料，它們所郵寄的植物標本也是本科研團隊重要的對比材料。

在未來的研究中，本科研團隊需要聯(lián)合大的植物園，擴大樣本容量，并增加核基因組數(shù)據(jù)，以便全面地比較分析和討論棕櫚科植物的系統(tǒng)發(fā)育與演化，為新品種培育和城市綠化打下基石。