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辰山植物园植物系统与进化研究团队揭示气候变化下孑遗植物的适应性分化与遗传脆弱性格局

来源：花匠小妙招时间：2024-11-09 01:52

全球气候变化正在导致生物多样性丧失日益加剧，并对全球自然生态系统构成严重威胁。遗传多样性作为物种多样性和生态系统多样性的最重要来源，是生物多样性的重要组成部分。研究物种遗传多样性如何响应气候变化，对于物种的保护和管理具有重要的启示，也是生物资源可持续利用的关键一环。孑遗植物作为“活化石”植物，起源久远，历经新生代以来持续而长久的气候变化，蕴含着丰富的遗传资源，在维持全球生态系统稳定方面起着重要作用。解析孑遗植物遗传多样性的分布格局及遗传适应潜力，是全球生物多样性保护的重要工作之一。

近日，上海辰山植物园植物系统与进化研究团队以胡桃科枫杨属孑遗植物（同时也是我国特有的重要河岸林乡土树种）甘肃枫杨（Pterocarya macroptera）为研究对象（图1），对野外采集的28个甘肃枫杨自然群体的160个个体，结合群体遗传学与景观基因组学方法，解析了甘肃枫杨种群响应气候变化的遗传多样性格局，并进一步评估了未来气候变化下甘肃枫杨不同种群的遗传脆弱性。

图1 甘肃枫杨照片

该研究基于简化基因组测序，共鉴定到8244个高质量的单核苷酸多态性位点（Single nucleotide polymorphism, SNP），基于ADMIXTURE与主成分分析（PCA）的结果表明，甘肃枫杨在其分布范围内，聚类为三个明显的谱系：云南西北部的滇西北（Northwest Yunnan, NWY）谱系，四川西部的川西（Western Sichuan, WS）谱系以及秦岭-大巴山-天目山谱系（Qinling-Daba-Tianmu Mountains, QDT）谱系（图2）。

图2 ADMIXTURE与PCA

研究人员基于梯度森林（Gradient Forest, GF）分析解析了环境变量对遗传变异的解释度，结果表明在甘肃枫杨分布范围内，遗传组成存在显著差异。季节性温度（BIO04）是对其遗传变异影响最重要的环境变量，其次是等温性（BIO03）、年温度范围（BIO07）、季节性降水（BIO15）和海拔（图3A）。接着利用Mantel检验解析遗传与环境/地理距离的相关性，结果表明遗传距离与地理和环境距离高度相关（图3B, C）。然而，在偏Mantel检验中，遗传距离只与地理距离显著相关，与环境则不相关，表明了强烈的地理隔离（Isolation by Distance, IBD）信号。此外，环境距离与地理距离之间也存在显著的自相关（图3D）。

图3 梯度森林（GF）与Mantel 检验

为了解析环境变量对甘肃枫杨不同谱系遗传变异的贡献，研究人员进一步进行了冗余分析（图4）。结果表明在控制环境变量后，地理变量解释了3.7 - 5.7%的变异，而当控制地理变量后，环境变量解释了8.6 - 12.8%的变异。表明环境变量对遗传变异的贡献大于地理变量。降水相关变量和海拔对WS谱系的遗传变异贡献最大，而温度相关变量则解释了QDT谱系中的大部分遗传变异。平均气温日较差（BIO02）和等温性（BIO03）对NWY谱系的遗传变异贡献最大。

图4冗余分析（RDA）

研究人员接着利用BAYENV和潜在因素混合模型（Latent Factor Mixed Modelling, LFMM）筛选到的环境关联（GEA）位点结合两种方法：梯度森林和冗余分析（Risk of Non-Adaptedness, RONA）解析种群的适应潜力（图5, 6）。结果表明甘肃枫杨东、西部边缘种群在预测的未来气候情景下（2081-2100）最为脆弱。QDT谱系的北部种群和NWY谱系的东部种群具有较低的遗传脆弱性。

图5 遗传偏移（GF offset）

图6 RONA

本研究揭示了环境异质性在塑造物种适应性分化中发挥了关键作用。具有高遗传多样性的种群可能在适应气候变化方面具有更大的潜力，而在物种分布范围的边缘种群具有较高的遗传脆弱性，可能面临在未来气候波动中的灭绝风险。研究建议应结合物种遗传多样性和遗传脆弱性应用于未来的种群保护管理中。

相关研究成果以“Adaptive divergence and genetic vulnerability of relict species under climate change: a case study of Pterocarya macroptera”为题发表于经典的国际植物学期刊《Annals of Botany》，并被选为封面文章进行报道。

上海辰山植物园植物系统与进化研究组科研助理王天瑞（现为中科院武汉植物园在读博士生）为该论文的第一作者，宋以刚副研究员为该论文的通讯作者。中科院昆明植物研究所孟宏虎副研究员，山东农业大学林学院王年教授，上海辰山植物园工程师郑斯斯，瑞士弗里堡大学Gregor Kozlowski教授等人参与了该工作。该研究得到了上海市绿化和市容管理局科学技术项目（G212406, G202401），瑞士Franklinia基金会、云南省“兴滇英才支持计划”项目及中科院西部之光项目的支持。

论文链接：

https://academic.oup.com/aob/article/132/2/241/7220463

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原标题：《辰山植物园植物系统与进化研究团队揭示气候变化下孑遗植物的适应性分化与遗传脆弱性格局》

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