Abstract

The evolutionary speed hypothesis (ESH) states that the molecular evolutionary rates of plants in the warm areas are higher than that in the cool areas. Nevertheless, largely due to the scarcity of molecular data from lower taxonomic lineages, ESH remains elusive in plants. In this study, we comprehensively conducted genome-wide comparative analyses of a total of 76 chloroplast (cp) genomes of the bamboos (Poaceae: Bambusoideae), with 10 of them newly generated, to test the ESH via investigating the potential association between their cp genome evolutionary rate and geographical distribution pattern. The results showed extreme heterogeneity of the evolutionary rate within the bamboos, with the lowest value found in temperate bamboos (tribe Arundinarieae) being approximately 1/4 of that in the tropical ones (tribe Olyreae). All the 91 non-coding loci and 75 coding loci evolve consistently faster in tribe Olyreae than that in tribe Arundinarieae. Most of the non-coding (82 out of 91) and coding (73 out of 75) loci in the tropical woody bamboos (tribe Bambuseae) also evolve faster than those in the temperate woody bamboos (tribe Arundinarieae). Moreover, the split of tropical and temperate bamboos was apparently accompanied with the change of cp genome evolutionary rate. This is by far the first case using cp genome data to support the ESH via showing the tropical plants evolve faster than their closely related temperate ones, and will shed new light on our understanding of ESH and the adaptation of plants.

摘要

进化速度假说（ESH）指出，温暖地区植物的分子进化速率要高于寒冷地区。然而，很大程度上由于缺乏来自较低分类学谱系的分子数据，ESH在植物中仍然难以捉摸。在这项研究中，我们对竹子（禾本科：Bambusoideae）的总共76个叶绿体（cp）基因组进行了全基因组范围的比较分析，其中有10个是新生成的，以通过研究其cp之间的潜在关联来测试ESH。基因组进化率和地理分布模式。结果表明，竹子内部进化速率极不均匀，在温带竹子（Arundinarieae）中发现的最低值约为热带竹子（Olyreae）的1/4。在Olyreae部落中，所有91个非编码基因座和75个编码基因座都比Arundinarieae部落一致地发展得更快。在热带木本竹（部落Bambuseae）中，大多数非编码（91个中的82个）和编码（75个中的73个）位点的进化也比温带木本（Arundinarieae）中的那些更快。此外，热带和温带竹子的分裂显然伴随着cp基因组进化速率的变化。迄今为止，这是第一个使用cp基因组数据来支持ESH的案例，它显示了热带植物的进化速度快于其密切相关的温带植物，并且将为我们对ESH和植物适应性的理解提供新的思路。在热带木本竹（部落Bambuseae）中，大多数非编码（91个中的82个）和编码（75个中的73个）位点的进化也比温带木本（Arundinarieae）中的那些更快。此外，热带和温带竹子的分裂显然伴随着cp基因组进化速率的变化。迄今为止，这是第一个使用cp基因组数据通过显示热带植物比其密切相关的温带植物进化更快来支持ESH的案例，这将为我们对ESH和植物适应的理解提供新的思路。在热带木本竹（部落Bambuseae）中，大多数非编码（91个中的82个）和编码（75个中的73个）位点的进化也比温带木本（Arundinarieae）中的那些更快。此外，热带和温带竹子的分裂显然伴随着cp基因组进化速率的变化。迄今为止，这是第一个使用cp基因组数据来支持ESH的案例，它显示了热带植物的进化速度快于其密切相关的温带植物，并且将为我们对ESH和植物适应性的理解提供新的思路。