生命之树的概念由达尔文在1859年提出, 用以反映分类群的亲缘关系和进化历史。近30年来, 随着建树性状种类的多样化、数据量的快速增长以及建树方法的不断发展和完善, 生命之树的规模越来越大, 可信度也越来越高。分子生物学、生态学、基因组学、生物信息学及计算机科学等的快速发展, 使得生命之树成为开展学科间交叉研究的桥梁, 其用途日益广泛。本文综述了生命之树研究的历史和现状, 介绍了生命之树在以下几个方面的应用: (1)通过构建不同尺度的生命之树, 理解生物类群间的系统发育关系; (2)通过时间估算和地理分布区重建, 推测现存生物的起源和地理分布格局及其成因; (3)基于时间树, 结合生态、环境因子及关键创新性状, 探讨生物的多样化进程和成因; (4)揭示生物多样性的来源和格局, 预测生物多样性动态变化, 并提出相应的保护策略。最后, 本文评估了生命之树在目前海量数据情况下遇到的序列比对困难、基因树冲突、“流浪类群”干扰等建树难题, 并指出了构建“超大树”的发展趋势。

被子植物系统发育学是研究被子植物及其各类群间亲缘关系与进化历史的学科。从20世纪90年代起, 核苷酸和氨基酸序列等分子数据开始被广泛运用于被子植物系统发育研究, 经过20多年的发展, 从使用单个或联合少数几个细胞器基因, 到近期应用整个叶绿体基因组来重建被子植物的系统发育关系, 目、科水平上的被子植物系统发育框架已被广泛接受。在这个框架中, 基部类群、主要的5个分支(即真双子叶植物、单子叶植物、木兰类、金粟兰目和金鱼藻目)、每个分支所包含的目以及几个大分支包括的核心类群等都具有高度支持。与此同时, 细胞器基因还存在一些固有的问题, 例如单亲遗传、系统发育信息量有限等, 因此近年来双亲遗传的核基因在被子植物系统发育研究中的重要性逐渐得到关注, 并在不同分类阶元的研究中都取得了一定进展。但是, 被子植物系统发育中仍然存在一些难以确定的关系, 例如被子植物5个分支之间的关系、真双子叶植物内部某些类群的位置等。本文简述了20多年来被子植物系统发育深层关系的主要研究进展, 讨论了被子植物系统发育学常用的细胞器基因和核基因的选用, 已经确定和尚未确定系统发育位置的主要类群, 以及研究中尚存在的问题和可能的解决方法。

东南亚地区东起菲律宾群岛, 西至印度次大陆, 北及中国中部, 南至巽他群岛, 涵盖了世界上25个最重要的生物多样性热点地区之中的6个, 具有极其重要的全球生物多样性保护的战略意义。该地区复杂的地质地貌和气候历史使其动植物的种类和数量都极为丰富。经典的生物地理分界线华莱士线和克拉地峡将该地区进一步划分出包括部分巽他群岛和马来半岛在内的南部巽他区和北部印度支那区两个生物多样性热点地区。主要基于形态学的生物地理学研究认为巽他区和印度支那区通过马来半岛陆地相连, 并且第四纪大部分时间海平面下降形成大陆桥, 直到一万年前该地区的众多岛屿仍与大陆连接, 促进了哺乳动物的种群迁徙与基因交流, 因此物种种群间的差别将很细微。然而近来分子遗传学研究表明, 由于其他生态因素制约, 哺乳动物的迁移能力可能比以往认为的低, 大陆桥的存在并不一定导致迁徙的发生, 许多种群的隔离早在200万年前便已形成, 并且没有因为后来冰川期海平面降低而恢复种群交流, 而距今7.3万年前发生的苏门答腊多巴超级火山爆发也可能进一步影响了物种间和物种内多样性的形成和分化。通过已有的东南亚哺乳动物种群遗传学研究结果, 我们认为物种间或种群间的差异主要表现为三个层次: 巽他区种群与印度支那区种群间约百万年尺度的分化, 巽他区不同岛屿种群间约数十万年尺度的分化, 以及发生于晚更新世的分化事件。已有的东南亚种群遗传学研究主要采用线粒体及核基因多位点数据进行分析, 而种群基因组学分析则使得获得详尽的种群历史动态成为可能, 并使我们可以进一步了解东南亚哺乳动物类群所经历的物种形成过程。

水稻所在的稻属(Oryza)共有24个左右的物种。由于野生稻含有大量的优良农艺性状基因, 在水稻遗传学研究中日益受到重视。随着国际稻属基因组计划的开展, 越来越多的稻属基因组序列被测定, 稻属成为进行比较、功能和进化基因组学研究的模式系统。近期开展的一系列研究对稻属不同基因组区段以及全基因组序列的比较分析, 揭示了稻属在基因组大小、基因移动、多倍体进化、常染色质到异染色质的转化以及着丝粒区域的进化等方面的分子机制。转座子的活性以及转座子因非均等重组或非法重组而造成的删除, 对稻属基因组的扩增和收缩具有重要作用。DNA双链断裂修复介导的基因移动, 特别是非同源末端连接, 是稻属基因组非共线性基因形成的主要来源。稻属基因组从常染色质到异染色质的转换过程, 伴随着转座子的大量扩增、基因片段的区段性和串联重复以及从基因组其他位置不断捕获异染色质基因。对稻属不同物种间基因拷贝数、特异基因和重要农艺性状基因的进化等研究, 可揭示稻属不同物种间表型和适应性差异的分子基础, 将加速水稻的育种和改良。

多细胞生物的成熟个体都是由单细胞的受精卵发育而来的。如果把成熟个体的表型看成生命存在的式样或模式(pattern), 那么发育就是形成和产生这种式样或模式的过程, 即塑造(patterning)或发育塑造(developmental patterning)。相应地, 对原来发育过程进行修饰或改变而产生新表型的过程就是发育重塑(developmental repatterning)。已有的研究结果表明, 发育重塑在多细胞生物的进化过程中非常普遍, 也非常重要。根据突变的类型和后果, 发育重塑既包括对相同基因在表达的时、空和量上的改变, 分别为异时(heterochrony)、异位(heterotopy)和异量(heterometry), 又包括对基因类型的改变, 即异型(heterotypy)。本文通过对一些经典案例的介绍, 揭示了发育重塑与表型变化的关系, 探讨发育重塑对生物多样性的贡献。

揭示导致生物体形态和结构多样性产生的原因和机制, 是进化生物学研究的重要内容。进化发育生物学的研究表明, 许多复杂的形态结构及其多样性, 都是通过对古老调控网络的修饰或改造来完成的。也就是说, 生物体形态和结构的多样化并不是像以前认为的是由基因编码区的变化造成的, 而更多的是取决于基因的调控进化。作为控制基因表达的关键组分, 基因调控区的顺式调控元件通过与特定反式作用因子结合, 精细调控基因表达的时、空和量。因此, 调控元件的获得、丢失、修饰或者改变都能引起基因表达模式的变化, 是形态和结构多样性产生的主要原因。本文结合近年来国际上在基因的调控进化方面所取得的进展, 总结了真核生物中基因调控的方式和特点, 阐述了调控进化的基本式样, 揭示了调控进化在生物进化(特别是形态和结构多样化)中的作用。

南极地区是地球上唯一未被人类活动大量影响的地区, 其极端寒冷的环境为南极生物的进化提供了“温床”。过去三千万年间, 南极鱼亚目鱼类在南极海洋逐渐变冷的过程中快速进化, 从一个温暖海域的底栖祖先分化成南极海域最为多样化的鱼类类群。由于其在南极圈内和南极圈外的各种温度区间都有分布, 因而成为研究鱼类适应性进化和耐寒机制的良好生物模型。本文综述了有关南极海域鱼类区系组成与物种多样性现状, 南极鱼亚目鱼类适应低温的一系列特化的生物学性状及其关键的遗传进化机制。现有研究表明: 南极鱼类在几千万年零度以下低温环境的进化中发生了大量基因的大规模扩增和基因表达的改变, 如铁调素、卵壳蛋白和逆转座子等118个基因发生了显著的扩增。另外, 有些从南极鱼中获得的抗寒基因已经用于提高动植物低温抗性的研究并取得了良好的效果。在今后的几年中, 将会有多个南极鱼物种的全基因组得到破译, 在低温适应相关基因的功能和进化方面的研究也会更加深入, 这些研究将深入揭示低温压力下基因组的进化规律以及鱼类低温适应的分子机制。

物种形成过程是生物多样性形成的基础, 长期以来一直是进化生物学的中心议题之一。传统的异域物种形成理论认为, 地理隔离是物种分化的主要决定因子, 物种形成只有在种群之间存在地理隔离的情况下才能发生。近年来, 随着种群基因组学的发展和溯祖理论分析方法的完善, 种群间存在基因流情况下的物种形成成为进化生物学领域新的研究焦点。物种形成过程中是否有基因流的发生?基因流如何影响物种的形成与分化?基因流存在条件下物种形成的生殖隔离机制是什么?根据已发表的相关文献资料, 作者综述了当前物种形成研究中基因流的时间和空间分布模式、基因流对物种分化的影响以及生殖隔离机制形成等问题, 指出基因流存在条件下的物种形成可能是自然界普遍发生的一种模式。

花粉介导的基因流是植物有性繁殖世代之间的桥梁, 花粉散布属性是植物繁殖生态学、保护生物学和进化生物学研究关注的焦点。随着DNA分子技术的发展, 花粉流分析所使用的分子标记(尤其是微卫星标记)逐步替代了早期物理标记, 基于最大似然法估计以及新兴的基于贝叶斯推断的父本指派算法的发展, 能有效地估计花粉流散布的方向、距离和强度等重要特征。花粉散布曲线由单一参数向多参数模型发展, 以更好地获得花粉散布特征的拟合效果, 双组分的复合模型利用相互独立的参数空间使得散布曲线在长距离和短距离形状上呈现更大的可塑性。这些革新的技术和方法被成功应用于植物性别表型、隔离种群和杂交物种间花粉流分析, 以探讨进化、生态和保护等多领域的基础理论问题。近年来, 高通量测序技术的发展将进一步加快以分子标记为基础的花粉流动态分析在更广泛的植物类群中运用。