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原創(chuàng) 秦漢韜，李洪濤 中國科學(xué)院昆明植物研究所

理解基因組結(jié)構(gòu)如何塑造基因流在基因組的分布景觀，是揭示植物物種形成機(jī)制的重要內(nèi)容。近緣物種間的基因流既可能促進(jìn)遺傳多樣性，也可能導(dǎo)致基因組的同質(zhì)化?；蚪M結(jié)構(gòu)包括基因組序列的整體排布及其特征，如基因密度、染色體倒位、轉(zhuǎn)座子分布、著絲粒演化，以及染色體的數(shù)目和長度等，都被證實會以多種方式影響基因流在基因組上的分布。然而，染色體在三維空間中的結(jié)構(gòu)與基因流之間是否存在關(guān)聯(lián)，以及它們的相互關(guān)系如何進(jìn)一步影響物種形成仍有待進(jìn)一步探究。

杜鵑花屬（Rhododendron L.）是北半球物種最豐富的木本屬，全球有 1000 多種。喜馬拉雅－橫斷山及鄰近地區(qū)是杜鵑花屬的現(xiàn)代分布和分化中心，包含 320 余種，其中 210 多種為特有種。自中新世以來，受造山運動和亞洲季風(fēng)影響，該地區(qū)的杜鵑花屬物種經(jīng)歷了快速輻射演化。近緣物種間生殖隔離較弱，自然雜交普遍，多樣的生境與頻繁雜交共同促進(jìn)了物種分化。然而，杜鵑花屬在頻繁基因流作用下如何維持物種界限的遺傳機(jī)制尚不清晰。

近日，中國科學(xué)院昆明植物研究所高連明（現(xiàn)山東農(nóng)業(yè)大學(xué)）團(tuán)隊聯(lián)合國內(nèi)外團(tuán)隊，在New Phytologist發(fā)表了題為The genomic architecture of introgression during Rhododendron speciation的研究成果。研究以分布于中國西南山地及周邊地區(qū)的杜鵑花屬糙葉杜鵑亞組（R. subsect. Scabrifolia）8 種杜鵑花為研究對象，開展杜鵑花屬物種形成過程中基因漸滲的基因組景觀特征研究，發(fā)現(xiàn)染色體三維空間結(jié)構(gòu)中的 A 區(qū)室與 B 區(qū)室在基因組分化程度上存在顯著差異。其中，與著絲粒緊密相關(guān)的 B 區(qū)室通常表現(xiàn)出較高的遺傳分化，而富含基因的 A 區(qū)室分化程度較低，并呈現(xiàn)更極端的 ??dm值，表明局部基因漸滲更為廣泛。研究提出，不同基因組區(qū)室之間基因流的異質(zhì)性可能推動杜鵑花屬的物種形成，并在植物基因流分布景觀的塑造中發(fā)揮關(guān)鍵但尚未完全揭示的作用。

該研究首先利用二代和三代測序技術(shù)（NGS, HiC, HIFI）從頭組裝了爆杖花（R. spinuliferum）高質(zhì)量的基因組（圖 1），BUSCO 評估值為97.1%，全基因LAI 平均值為19.68。爆杖花基因組大小為634.5M，重復(fù)序列在基因組中占70.21%，基因組共預(yù)測到35,406 個蛋白編碼基因。通過HiC數(shù)據(jù)的染色體三維結(jié)構(gòu)分析，識別了染色體 A/B 區(qū)室，通常認(rèn)為A 區(qū)室對應(yīng)著常染色質(zhì)，B 區(qū)室對應(yīng)著異染色質(zhì)。結(jié)果顯示，染色體 A/B 區(qū)室的分布與基因密度、GC 含量及Gypsy元件豐度等基因組結(jié)構(gòu)特征高度吻合。隨后，對橫斷山及其近鄰的云貴高原地區(qū)分布的糙葉杜鵑亞組的8個物種15個居群共139個個體進(jìn)行全基因組重測序，通過系統(tǒng)發(fā)育、群體遺傳學(xué)和比較基因組學(xué)分析全面解析該多樣性群體的基因組演化。

圖1 爆杖花的基因組結(jié)構(gòu)特征

糙葉杜鵑亞組的演化背景與基因流歷史

基于系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果，雖然在不同數(shù)據(jù)集之間存在核基因樹沖突和核質(zhì)沖突，但整個亞組可以明確地分為兩個分支，即SSS 分支（包括糙葉杜鵑R. scabrifolium，碎米花R. spiciferum和爆杖花）和HMPR 分支（包括粉背碎米花R. hemitrichotum，柔毛碎米花R. mollicomum，柔毛杜鵑R. pubescens和腋花杜鵑R. racemosum）?；谌~綠體基因組估算的分化時間表明，糙葉杜鵑亞組在大約3.85百萬年前開始分化。流式細(xì)胞術(shù)測定的基因組大小表明，核質(zhì)系統(tǒng)發(fā)育強(qiáng)烈沖突的兩個物種（富源杜鵑R. fuyuanense和腋花杜鵑）均為四倍體。基于SNP 的群體結(jié)構(gòu)分析顯示，8 種杜鵑花均形成了獨立的遺傳譜系。多種基因流檢測（包括D 值，f4-ratio，f-branch 及QuIBL）結(jié)果均支持物種間存在頻繁的基因交流。種群歷史模擬的結(jié)果顯示物種形成期間的基因流多為間歇性、不連續(xù)的。綜上所述，糙葉杜鵑亞組的8個物種分布區(qū)部分重疊，分化時間較短，分化過程中存在基因流，但均形成了獨立的遺傳譜系。

圖2 糙葉杜鵑亞組八個物種的分布、群體結(jié)構(gòu)及演化歷史

基因組結(jié)構(gòu)是遺傳多樣性與分化差異的基礎(chǔ)

該研究發(fā)現(xiàn)，在糙葉杜鵑亞組物種的自然群體中，染色體 A 區(qū)室與 B 區(qū)室在基因組分化和基因流強(qiáng)度上存在顯著差異（圖 3）。結(jié)果顯示包含著絲粒的B 區(qū)室在物種間表現(xiàn)出更大的遺傳分化（??????）和分異（??????），相比之下，A 區(qū)室則在不同物種中傾向于低的遺傳分化水平，具有較低的遺傳分化和分異?；谘鼗蚪M10 kb 滑窗的基因流分析表明，在幾乎所有的??dm組合中，A 區(qū)室前5% 的??dm 平均值比B 區(qū)室前5% 的??dm 平均值高，說明在A 區(qū)室中具有更大程度的局部基因漸滲（圖 4）?；蚪M異質(zhì)性景觀的形成可能源于基因組結(jié)構(gòu)對重組率、突變率和選擇壓力的綜合影響：B 區(qū)室靠近著絲粒，著絲粒進(jìn)化迅速且易發(fā)生倒位，低重組率加上轉(zhuǎn)座元件積累和雜合不相容性等都會抑制基因流；而 A 區(qū)室基因豐富、重組率高，使有益等位基因更易滲入并通過適應(yīng)性選擇快速固定?？傮w來看，基因組結(jié)構(gòu)不僅塑造了染色體不同區(qū)室的遺傳多樣性與遺傳分化模式，也在物種形成和適應(yīng)性進(jìn)化中發(fā)揮重要作用。

圖3 10 kb的基因組滑窗下，A/B 區(qū)室間物種的遺傳分化值（??????）及遺傳分異值（??????）的差異

圖4 10 kb的基因組滑窗下，A/B 區(qū)室間物種的基因流分布差異

生態(tài)因素與基因組結(jié)構(gòu)共同影響物種輻射演化

該研究表明，糙葉杜鵑亞組的物種演化受到生態(tài)因素與基因組結(jié)構(gòu)的共同作用。在橫斷山地區(qū)，晚中新世的造山活動和氣候變化為物種形成提供了微生態(tài)與演化機(jī)遇。更新世氣候波動和冰期—間冰期循環(huán)可能促使原本隔離的物種擴(kuò)展分布，從而在遷移期間發(fā)生間歇性基因流。在空間隔離期，整個基因組，尤其是 B 區(qū)室發(fā)生分化，積累新突變并篩選祖先單倍型，促進(jìn)物種沿著不同的演化方向發(fā)展；而在發(fā)生基因流時期，A 區(qū)室易于基因漸滲，使近緣物種間形成遺傳上的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，快速響應(yīng)環(huán)境變化。研究推測，不同染色體區(qū)室可能傾向于保存不同來源的適應(yīng)性變異：B 區(qū)室的新突變通過長期固定積累，影響基因組穩(wěn)定性并引導(dǎo)演化方向；而 A 區(qū)室的共享等位基因或適應(yīng)性基因漸滲則促進(jìn)物種快速適應(yīng)環(huán)境?？傮w來看，生態(tài)因素與基因組結(jié)構(gòu)的交互作用共同塑造了糙葉杜鵑亞組物種的快速適應(yīng)性演化。

綜上所述，在糙葉杜鵑亞組物種間的全基因組范圍內(nèi)，遺傳分化值（??????）和遺傳分異值（??????）呈現(xiàn)顯著差異。這種差異在染色體的 A 區(qū)室與 B 區(qū)室間表現(xiàn)出一致性：B 區(qū)室在物種間通常分化程度較高，而 A 區(qū)室分化程度較低，可能因物種間頻繁的基因流所致。研究推測，間歇性的基因流結(jié)合著絲粒的快速進(jìn)化，是驅(qū)動杜鵑花屬物種輻射演化的內(nèi)部動力。B 區(qū)室緊密關(guān)聯(lián)著絲粒，為物種分化提供了多樣的進(jìn)化方向；而 A 區(qū)室的遺傳多樣性與環(huán)境異質(zhì)性則有助于物種形成以及對環(huán)境變化的快速適應(yīng)。

中國科學(xué)院昆明植物研究所已畢業(yè)博士研究生秦漢韜（現(xiàn)任西南林業(yè)大學(xué)講師）為論文第一作者，高連明教授（現(xiàn)山東農(nóng)業(yè)大學(xué)）、李洪濤研究員和李德銖教授（現(xiàn)山東農(nóng)業(yè)大學(xué)）為論文共同通訊作者。英國愛丁堡大學(xué)Alex D. Twyford 博士和 Richard I. Milne 博士、?？巳卮髮W(xué) Hans-Wilhelm Nützmann 博士、西雙版納熱帶植物園嚴(yán)麗君副研究員，昆明植物所已出站的博士后鄭偉博士，以及在讀博士研究生莫智瓊、朱明姝等參與了此項研究。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃和云南省基礎(chǔ)研究專項重大項目的資助。

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文：秦漢韜、李洪濤