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(shí)會(huì)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(yùn)動(dòng)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(duì)聯(lián)合國內(nèi)外團(tuán)隊(duì),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(duì)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(dòng)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(píng)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(gè)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(shí)別了染色體?A/B?區(qū)室,通常認(rèn)為A?區(qū)室對(duì)應(yīng)著常染色質(zhì),B?區(qū)室對(duì)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(duì)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(gè)物種15個(gè)居群共139個(gè)個(gè)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(gè)亞組可以明確地分為兩個(gè)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)。基于葉綠體基因組估算的分化時(shí)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(gè)物種(富源杜鵑R. fuyuanense?和腋花杜鵑)均為四倍體?;?/span>SNP?的群體結(jié)構(gòu)分析顯示,8?種杜鵑花均形成了獨(dú)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(gè)物種分布區(qū)部分重疊,分化時(shí)間較短,分化過程中存在基因流,但均形成了獨(dú)立的遺傳譜系。

圖2?糙葉杜鵑亞組八個(gè)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(duì)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(huì)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(shí)期,A?區(qū)室易于基因漸滲,使近緣物種間形成遺傳上的動(dòng)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(dòng)杜鵑花屬物種輻射演化的內(nèi)部動(dòng)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(duì)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、埃克塞特大學(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(xiàng)研究。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和云南省基礎(chǔ)研究專項(xiàng)重大項(xiàng)目的資助。