棕榈植物和我们的故事

陈大娟 王华锋

棕榈科是棕榈目中物种十分丰富的一个分支，也是被子植物中一个形态多样性极大的科。棕榈科广泛分布于全球热带和亚热带地区，其中的许多物种都存在重要的经济、药用及观赏价值。近年来，虽然已有对棕榈科叶绿体结构的研究，也出现过使用基因片段推断其系统发育关系的报道，但对棕榈科叶绿体结构进行全面分析仍是必不可少的。

笔者作为海南大学生命科学学院2020级硕士研究生（陈大娟）及其导师（王华锋），同为本校生物多样性和系统发育基因组学团队的成员。本团队以遗传学和生物信息学为技术手段，主要研究内容包括：通过构建植物“生命之树”重建植物进化的时空过程，研究基因组进化的过程和规律，钻研关键形态性状发育和进化的遗传、分子和生态机制等；揭示重要性状的起源和进化过程以及植物现代分布格局的成因；探讨适应性进化的基因组基础并在此基础上开展种植资源的保存和创新工作。王华锋教授自2017年12月在海南大学任职以来，在《自然》（Nature）、《美国国家科学院院报》（PNAS）、《植物分类学报》（Journal of Systematics and Evolution）、《分子系统发育与进化》（Molecular Phylogenetics and Evolution）等期刊发表论文70余篇，其中以第一作者或者通讯作者发表在中国科学院二区以上的SCI论文有20余篇。近来，我们在棕榈科叶绿体基因组的研究中获得重大进展（文章链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2022.960588）。在这项研究中，我们获取了74个棕榈科植物叶绿体的基因组，对棕榈科叶绿体基因组的结构特征进行了全面分析，比较基因序列间的差异性，推断系统发育关系，重建了物种分歧时间和祖征。

基于全叶绿体基因组和多个数据集，我们通过ML/BI（最大似然法／贝叶斯法）分析的系统发育关系支持棕榈科的5个亚科均为单系，亚科间的关系得到强大支持，且部分族／属之间的关系也得到了很好支持。结果显示，所有的棕榈科叶绿体基因组均呈现典型的四分体结构，其大小范围在153 806—160 122 bp之间，共有130—137个基因，其中有76—82个蛋白质编码基因，29—32个tRNA 基因和4个rRNA基因。此外，叶绿体基因组总GC含量（鸟嘌呤和胞嘧啶占比）为36.9—37.7%。SC/IR（反向重复／单拷贝）区边界的差异分析结果显示，IR区在边界上出现了扩张与收缩现象。系统发育关系结果表明，棕榈科五个亚科均为单系，蜡椰亚科与槟榔亚科为姐妹类群（BS/PP =100%/1）。分歧时间分析显示棕榈科的多样化发生于中白垩时期的96.60 [84.90-107.60]Ma（Ma为地质时间单位，表示“百万年前”），干群分化年龄为102.40 [93.44-111.17]Ma。由祖先性状的重建分析可推断，棕榈科的祖先性状特征为：雌雄同株、种子数量1枚、雄蕊数量6枚及果皮光滑。

棕榈科各亚科的代表植物

棕榈科叶绿体基因组图谱

本研究所新测序的叶绿体基因组资源将在今后为棕榈科的物种鉴定与进化、遗传多样性和系统发育方面的分析研究提供帮助。但在本研究的系统发育分析中仍存在一些局限性，因此在未来的研究中需要增加样本的采集量，增加整个叶绿体基因组的数据可用性，并使用核基因数据支持大规模的推断关系。为此，我们可以更全面地比较、分析和讨论棕榈科植物的系统发育与进化。

采样是科研活动的基础工作，因此野外考察是必不可少的。我（陈大娟）第一次出差采样是在研究生一年级刚入学的时候，跟着高我一年级的柯柯师姐到琼海的海南盛大现代农业开发有限公司采取课题组做植物系统进化研究所需的用于提取DNA的样本。九月份的海南，天气还是十分炎热的。由于缺乏经验，我当天没有做好防晒、防蚊、防虫等措施，穿得很清凉。于是，我切实感受到了无处不在的蚊子的“热情”，手脚全是蚊子包。这也成为了我去琼海采样的证据。

基于整个叶绿体基因组数据集构建的ML和Bl树

在课题组学习了一段时间之后，为了我的课题研究能顺利开展，王华锋老师让我到离海南大学海甸校区几十公里远的海南金棕榈热带园林研究院科研基地去采集棕榈科样本。那时并没有直达的班车，因此我需要转车两次才能到达目的地。科研基地的张总带我去了基地的棕榈园区，并向我简单介绍了园区的棕榈植物种植及研究情况，之后便让我自行采取自己所需的样本。我孤身一人用枝剪刀剪取材料，写物种名，挂标签，一个物种样本又一个物种样本地处理，直到把园区里的棕榈科植物样本都采取完。那时候对我来说，独自在太阳底下采样挺困难的，但是，为了自己的课题总得学会自力更生。累了可以休息，热了可以乘凉，然而就是不能放弃或停止，无论如何都要坚持把样本采完。最后，我终于顺利地采完了样。

在做课题期间，我也曾三次到海口金牛岭公园里的棕榈园区学习识别棕榈科植物，通过形态特征来辨认物种。刚开始认植物之时，我犯过不少错误，比如：总是把大王棕与狐尾椰两个物种认混，总觉得这它们是同一物种，一律把它们认作狐尾椰；认的植物不全，甚至对于常见的蒲葵，也经常认不出来。我也去其他公园认过各类植物，尤其是白沙门公园，每隔三四个月就会与王华锋老师和师兄师姐去。我们在各大植物园区里调查植物种类，毕竟“要多认植物，多思考植物”——这是王老师经常对我们说的。经过长时间的训练，我终于能够通过形态特征来区分某一棕榈科的植物到底属于哪个亚科哪个物种了。除此之外，当然也少不了2021年暑假去五指山野外采样的经历。在深山里采样时所经历的事，是多么让人难以忘怀啊！当我们穿梭于繁茂的树木下时，书包、衣服都会时不时地被树枝拉扯。如果周围几乎都是棕榈科省藤亚科的植物，那么书包、衣服还可能被刺勾到并拉破，从而阻碍我们前进。在向前攀爬时，需要抓住前面树枝以借力，但如果周围基本上都是省藤亚科的物种，那么就会变得到处是刺，让人不知该伸手抓住何处。这时就只能抓住其他科属的小树枝，却往往因土壤松软，小树枝承受不了大力拉扯而被拔出，同时脚下的土一踩一塌，于是脚越是往上蹬，身体越是下滑。最后，我们终于找到了结实点的树枝，踩掉了表面松塌的土，艰难地爬上了山顶。从山顶下山的路相比上山的路就好太多了。虽然周边还是会有省藤亚科的物种，但不会生长得那么密集，比较容易通过。下到半山腰时，我们找到了一条蜿蜒的小山路，比较陡，但还算好走，只被落叶覆盖了表面。站着下山会因小路陡滑而速度较快，非常容易摔倒，因此我们便降低重心、侧身下山，可是这样久了也会累，最后我跟小伙伴直接坐下，沿着小路滑下来。滑行的过程居然有点好玩，甚至有点刺激，就是太费裤子，幸好裤子耐磨。上山艰难，下山刺激，这般有趣又有挑战性的经历，我又怎么会忘记呢？

2021年7月，我们课题组还与中国科学院植物研究所陈之端研究团队共赴海南五指山，对五指山国家自然保护区（国家雨林）、五指山南圣自然保护站和五指山红峡谷文化旅游风景区等地的植物多样性进行了考察。这次考察旨在寻找海南稀有物种，对科研而言，能够通过观察各类群植物的形态特征和获取新物种，促进植物多态性的研究，更能了解植物在不同环境下产生的多样化现象。对自身而言，通过自己亲身实地观察，我对植物的科属有了更为清晰的认识，在学会植物基本分类的基础上，又见识了许多植物。在这次考察中，我们以饱满的精神状态踏上热带森林国家自然保护区的采样之旅。我这回有经验了，提前做好了防晒、防蚊、防蚂蟥及其他虫的准备。带上装备，走进雨林，踏上蜿蜒小道，我们在炙热的太阳下，对沿途植物的多样性进行考察。在阳光的炙烤下登顶是对意志力的考验。累了休息一会儿再继续攀爬，到栈道终点后，继续沿着山道小路往上走，可惜没能登上顶峰。我们空袋而出，满载而归。白天采样，晚上整样，每

野外考察与采样

天重复着同样的工作，次日还需忍着全身的酸痛继续踏上采样之路。考察的后半程，我们一行人跟着护林员进入深山的森林里采样。护林员带我们边走边新开辟出一条条曲折险峻的小道，穿行于繁茂的树林中。越往里走，虫鸣声、水流声越清晰，湿气也越重。印象最深刻的是陈庆老师带领我们攀爬红峡谷风景区的森林，在光滑的岩石上，每踩一步都需谨慎，脚一旦踩空，后果就不堪设想。陈老师仿佛会飞檐走壁，轻功了得，一蹦一跳即可轻松往上爬，真不愧是专业的。再看我们，只能趴在岩石上，手脚并用地缓慢、艰难地往上爬，提心吊胆，瑟瑟发抖。这可比在高树深林里穿梭、时不时被棕榈科省藤亚科的植物刺勾到的经历更让人刻骨铭心。攀爬岩石实在太惊险了，很难让人有经历第二次的欲望。

乘兴而来，兴尽而归。海南岛虽不大，但森林资源丰富，植物种类繁多。暑假一周的五指山的调查及采样，让我见识了很多不曾见到的植物，也经历了从未经历过的事，给我带来了极大的收获，是我读研过程中一次难以忘怀的采样之行！

说完采样经历，不得不提的就数课题研究中的论文写作过程了。撰写论文花时间、费工夫，我痛苦并快乐着。写作需要耐心与坚持，更考验我们的心态，不能着急，需要努力求索，脚踏实地完成。在文章投稿的这三个月里，我迟迟未等到审稿人的回复，甚是担忧，担心自己因写作水平差而被拒。但我还是幸运的，我还是等到了审稿人的回复，其中的建议给我带来了希望，让我看到了曙光。有一位审稿人提出，应当以一些形态学特征来证明通过质体系统发育恢复的部族间关系的合理性。这一问题让我有些困惑，因为大多数棕榈科植物的特征是从祖先特征进化而来，形态特征似乎是趋同进化的，部落间的形态特征不易分辨；此外，实验室收集的分子和形态数据的数据集不一致，将分子和形态学数据两相结合，较难重现由质体系统发育所恢复的部族间关系。鉴于审稿人的建议，我不断地修改完善文章，也很努力去解释这一问题，尽可能地达到审稿人的要求。我发现，只要我们肯尝试去解决所遇到的问题，总会有好的结果，我的论文终于被接收了！论文写作没有捷径可走，一份耕耘一份收获，只有一步一个脚印地认真对待，才能获得成功。

对于海南植物的教学与研究，王华锋老师总结了几条重要的经验，也在指导我做论文的过程中提取了一些心得：

1.多认植物，思考植物。植物分类学是一门重要的基础学科，它是种质资源创新与新品种培育、城市园林建设与绿色发展、生物多样性保护与碳中和的基石。假如不熟悉植物，不知道植物的基本属性，上述高楼大厦或许根本无从谈起。对整个海南省来说，时代需要专门从事植物分类学的人才为南繁育种、国家热带雨林公园建设及自贸港的绿色发展贡献智慧。事实上，海南的植物学有光辉的历史和传统，老一辈植物学工作者如林英教授等作出了卓越贡献，当今时代亟需传承植物学经典，服务国家和地方需求。

2.因地制宜，因材施教。海南三棵树（椰子、槟榔和橡胶）有两棵是棕榈科的，棕榈科的椰子是海口市树。棕榈科的系统发育对海南的意义可想而知，它既符合国家战略定位，又合乎地方特色。我是2020级硕士，海南儋州人，从湘南学院本科毕业之后，就在王华锋老师的建议下，于2020年暑假即赴实验室跟着师兄师姐一起学，同时采集海南棕榈科的植物。王老师让我看中国植物志和英文版植物志中棕榈科的介绍，查阅多种棕榈科文献和熟悉软件，加多个认识植物爱好者群认植物，也如上文所说，让我去多个地方采集棕榈科植物。同时，王华锋团队也请教了华南植物园的郭丽秀老师，听取意见和建议。郭老师是世界棕榈科主席，帮海南大学鉴定了很多棕榈科的植物，给过许多无私的指导和帮助。

3.立足本土，原始创新。“南繁”“育种”“热带”“滨海”——这些是关于海南的热词。结合国家战略及海南特色的植物资源，王华锋团队服务国家战略和地方需求，积极贡献植物学力量与智慧。从科技小院到三区人才，从热带滨海城市到现代农业推广公司，科研团队在热带滨海地区躬行植物分类学应用，使其服务南繁育种和城市建设，传承分类学经典并不断发扬光大，同时让更多的本科生、研究生和社会公众获得更多植物学知识，让他们知道植物，熟悉植物，爱上植物学，爱上大自然，为祖国培养亟需的植物分类学人才。

全世界棕榈科约202属2800余种，我国约有22属60余种，主要分布在南方各省，是重要的食用、药用和园林绿化植物。英国邱园和泰国等东南亚国家的植物园有大量的棕榈科材料，它们所邮寄的植物标本也是本科研团队重要的对比材料。

在未来的研究中，本科研团队需要联合大的植物园，扩大样本容量，并增加核基因组数据，以便全面地比较分析和讨论棕榈科植物的系统发育与演化，为新品种培育和城市绿化打下基石。