BMC Plant Biology | 白杄和沙地云杉在全基因组水平上的适应性分化、历史种群动态和适宜分布模拟
文摘
科学
2024-06-03 16:19
辽宁
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本研究以蓝云杉（Picea. pungens）和丽江云杉（Picea. likiangensis）为外群，选择白杄（Picea. meyeri）、沙地云杉（Picea. mongolica）和亲缘关系较近的红皮云杉（Picea. koraiensis）为实验材料，基于Genotyping-by-Sequencing（GBS）简化基因组测序技术获得全基因组single-nucleotide polymorphisms (SNPs)标记来解决以下三个问题，为云杉属的引种驯化与遗传改良提供理论依据，为云杉属的分类学研究提供有益补充，并对云杉属适应性分化提供新的见解：（1）从基因组方面，沙地云杉（P. mongolica）是否能成为一个独立的种？（2）白杄（P. meyeri）、沙地云杉（P. mongolica）及其近缘种红皮云杉（P. koraiensis）之间是否存在基因流，从而导致了表型趋同；（3）白杄（P. meyeri）和沙地云杉（P. mongolica）的种群动态变化以及如何适应环境变化的选择压力。
主要研究结果1：系统进化与群体遗传结构分析
由ML发育树、structure和主成分分析（（图1A,B,C）可知，以蓝云杉（P. pungens）和丽江云杉（P. likiangensis）为外群，可以将15个群体划分为3个类群，第一个类群为红皮云杉（P. koraiensis）两个群体，第二个类群为白杄（P. meyeri）九个群体，第三个类群为沙地云杉（P. mongolica）四个群体。白杄（P. meyeri）群体中采自河北的3个群体与采自山西6个群体被划分为2个亚群，其中山西的6个群体中忻州芦芽山区域的4个群体亲缘关系更近，表明其亲缘关系与地理分布相符合。沙地云杉（P. mongolica）群体中采自白音敖包的群体与其他三个群体区分开。同时沙地云杉（P. mongolica）已经与白杄（P. meyeri）的各地理种群差异较大，可以形成独立的种。
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图1：白杄、沙地云杉及其近缘种红皮云杉的系统发育、群体遗传结构及其种间基因流 A：系统发育ML树与群体遗传结构structure图；B：主成分分析（PCA）图；C：ABBA-BABA测试树模型；D: 三个种间基因流情况
基因流分析表明（图1C, D）：三个物种间可能存在8次基因流。从红皮云杉（P. koraiensis）到白杄（P. meyeri）的基因流，显著高于从红皮云杉（P. koraiensis）到沙地云杉（P. mongolica）的基因流，这与ABBA-BABA结果相符合。此外，还发现历史上白杄（P. meyeri）和沙地（P. mongolica）间存在七次基显著因流，表明白杄（P. meyeri）种群之间以及和沙地云杉（P. mongolica）间都具有频繁的基因流。
主要研究结果2：历史种群动态及其潜在适生分布区预测
本研究采用Stairway-plot方法揭示了白杄（P. meyeri）和沙地云杉（P. mongolica）的历史种群动态，由图2A可知白杄（P. meyeri）和沙地云杉（P. mongolica）的有效群体大小整体上仍处于逐步减少状态。
为了了解气候变化对于白杄(P. meyeri和沙地云杉（P. mongolica）分布的影响，基于Maxent模型模拟了四个时间段（LIG, LGM, MH和Current）两种云杉的潜在分布区域（图2B）。研究发现温度和降水的季节性变化以及最小降水量对白杄（P. meyeri）和沙地云杉（P. mongolica）的分布具有重要影响。白杄（P. meyeri）和沙地云杉（P. mongolica）的总体适生区从LGM，MH到现代呈现先减少后增加的趋势，而高度潜在适生区则经历了明显扩张；但在未来气候情景下两个云杉物种的适生区都出现了不同程度减少，尤其在高排放场景下。
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图2：白扦和沙地云杉种群历史动态及其潜在适生分布区区预测 A: 白扦和沙地云杉种群历史动态；B：白扦和沙地云杉潜在适生区预测
主要研究结果3：环境适应性遗传变异分子机制及其选择清除分析
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图3：环境适应性变异与选择清除分析筛选基因的GO分类与KEGG注释通路图A：遗传距离与(A)地理距离和(B)环境距离的mantel检验；B: 遗传变异与环境变异的RDA分析；C：选择清除分析筛选基因的GO分类图；D：选择清除分析筛选基因的KEGG注释通路图。
由图3可知，基于基因型-环境关联分析识别了96543个SNPs与环境因子BIO01，BIO03，BIO12，BIO15相关，这些SNPs主要与植物抗旱，抗病以及其他非生物胁迫相关。以红皮云杉（P. koraiensis）为背景群，白杄（P. meyeri）确定了65个受选择基因，沙地云杉（P. meyeri）确定了72个受选择基因，主要与植物开花，果实发育以及抗性相关。以白杄（P. meyeri）为背景群，沙地云杉（P. mongolica）确定了30个受选择基因，主要与沙地云杉（P. mongolica）的抗旱，抗寒以及生长发育相关。选择性清除促进了白杄（P. meyeri）和沙地云杉（P. mongolica）的局部环境适应性和物种分化。
研究结果以题为" Adaptive divergence, historical population dynamics, and simulation of suitable distributions for Picea meyeri and P. mongolica at the whole-genome level"在线发表于BMC Plant Biology (2024) 24:479，中国林业科学研究院森环森保所博士研究生刘逸夫为该论文的第一作者，中国林科院林业所王军辉研究员和贾子瑞副研究员为论文通讯作者。该研究得到了“十四五”国家重点研发计划“林木良种智能化高效繁育技术”项目子课题（2023YFD2200605-02）和国家自然基金青年项目（No. 31500540）资助。
https://doi.org/10.1186/s12870-024-05166-6
