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封面論文：辰山植物園植物系統(tǒng)與進化研究團隊揭示氣候變化下孑遺植物的適應(yīng)性分化與遺傳脆弱性格局
全球氣候變化正在導(dǎo)致生物多樣性喪失日益加劇，并對全球自然生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成嚴重威脅。遺傳多樣性作為物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性的最重要來源，是生物多樣性的重要組成部分。研究物種遺傳多樣性如何響應(yīng)氣候變化，對于物種的保護和管理具有重要的啟示，也是生物資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵一環(huán)。孑遺植物作為“活化石”植物，起源久遠，歷經(jīng)新生代以來持續(xù)而長久的氣候變化，蘊含著豐富的遺傳資源，在維持全球生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定方面起著重要作用。解析孑遺植物遺傳多樣性的分布格局及遺傳適應(yīng)潛力，是全球生物多樣性保護的重要工作之一。
近日，辰山植物園植物系統(tǒng)與進化研究團隊以胡桃科楓楊屬孑遺植物(同時也是我國特有的重要河岸林鄉(xiāng)土樹種)甘肅楓楊(Pterocarya macroptera)為研究對象，對野外采集的28個甘肅楓楊自然群體的160個個體，結(jié)合群體遺傳學與景觀基因組學方法，解析了甘肅楓楊種群響應(yīng)氣候變化的遺傳多樣性格局，并進一步評估了未來氣候變化下甘肅楓楊不同種群的遺傳脆弱性。
圖1 甘肅楓楊照片
該研究基于簡化基因組測序，共鑒定到8244個高質(zhì)量的單核苷酸多態(tài)性位點(Single nucleotide polymorphism, SNP)，基于ADMIXTURE與主成分分析(PCA)的結(jié)果表明，甘肅楓楊在其分布范圍內(nèi)，聚類為三個明顯的譜系：云南西北部的滇西北(Northwest Yunnan, NWY)譜系，四川西部的川西(Western Sichuan, WS)譜系以及秦嶺-大巴山-天目山譜系(Qinling-Daba-Tianmu Mountains, QDT)譜系。
研究人員基于梯度森林(Gradient Forest, GF)分析解析了環(huán)境變量對遺傳變異的解釋度，結(jié)果表明在甘肅楓楊分布范圍內(nèi)，遺傳組成存在顯著差異。季節(jié)性溫度(BIO04)是對其遺傳變異影響最重要的環(huán)境變量，其次是等溫性(BIO03)、年溫度范圍(BIO07)、季節(jié)性降水(BIO15)和海拔。接著利用Mantel檢驗解析遺傳與環(huán)境/地理距離的相關(guān)性，結(jié)果表明遺傳距離與地理和環(huán)境距離高度相關(guān)。然而，在偏Mantel檢驗中，遺傳距離只與地理距離顯著相關(guān)，與環(huán)境則不相關(guān)，表明了強烈的地理隔離(Isolation by Distance, IBD)信號。此外，環(huán)境距離與地理距離之間也存在顯著的自相關(guān)。
為了解析環(huán)境變量對甘肅楓楊不同譜系遺傳變異的貢獻，研究人員進一步進行了冗余分析。結(jié)果表明在控制環(huán)境變量后，地理變量解釋了3.7 - 5.7%的變異，而當控制地理變量后，環(huán)境變量解釋了8.6 - 12.8%的變異。表明環(huán)境變量對遺傳變異的貢獻大于地理變量。降水相關(guān)變量和海拔對WS譜系的遺傳變異貢獻最大，而溫度相關(guān)變量則解釋了QDT譜系中的大部分遺傳變異。平均氣溫日較差(BIO02)和等溫性(BIO03)對NWY譜系的遺傳變異貢獻最大。
研究人員接著利用BAYENV和潛在因素混合模型(Latent Factor Mixed Modelling, LFMM)篩選到的環(huán)境關(guān)聯(lián)(GEA)位點結(jié)合兩種方法：梯度森林和冗余分析(Risk of Non-Adaptedness, RONA)解析種群的適應(yīng)潛力。結(jié)果表明甘肅楓楊東、西部邊緣種群在預(yù)測的未來氣候情景下(2081-2100)最為脆弱。QDT譜系的北部種群和NWY譜系的東部種群具有較低的遺傳脆弱性。
本研究揭示了環(huán)境異質(zhì)性在塑造物種適應(yīng)性分化中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。具有高遺傳多樣性的種群可能在適應(yīng)氣候變化方面具有更大的潛力，而在物種分布范圍的邊緣種群具有較高的遺傳脆弱性，可能面臨在未來氣候波動中的滅絕風險。研究建議應(yīng)結(jié)合物種遺傳多樣性和遺傳脆弱性應(yīng)用于未來的種群保護管理中。
相關(guān)研究成果以“Adaptive divergence and genetic vulnerability of relict species under climate change: a case study of Pterocarya macroptera”為題發(fā)表于經(jīng)典的國際植物學期刊《Annals of Botany》，并被選為封面文章進行報道。
辰山植物園植物系統(tǒng)與進化研究組科研助理王天瑞(現(xiàn)為中科院武漢植物園在讀博士生)為該論文的第一作者，宋以剛副研究員為該論文的通訊作者。中科院昆明植物研究所孟宏虎副研究員，山東農(nóng)業(yè)大學林學院王年教授，辰山植物園工程師鄭斯斯，瑞士弗里堡大學Gregor Kozlowski教授等人參與了該工作。該研究得到了上海市綠化和市容管理局科學技術(shù)項目(G212406, G202401)，瑞士Franklinia基金會、云南省“興滇英才支持計劃”項目及中科院西部之光項目的支持。
論文鏈接：https://academic.oup.com/aob/article/132/2/241/7220463
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