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華南植物園解析蘇鐵蕨基因組透視蕨類植物演化與保護(hù)
珍稀植物的存續(xù)不僅關(guān)乎單一物種的命運，更承載著生態(tài)系統(tǒng)功能的維系與漫長進(jìn)化歷史的延續(xù)。對于單種屬植物而言，其種群減少或滅絕意味著整個進(jìn)化譜系的衰退或消亡，對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成不可逆的影響。蕨類植物因其基因組大、染色體數(shù)目多、且普遍存在非整倍化和種內(nèi)倍性復(fù)雜等特征，使其偏離了以二倍體為核心構(gòu)建的經(jīng)典遺傳學(xué)理論與分析框架。傳統(tǒng)依賴二代測序技術(shù)的研究多側(cè)重于非編碼區(qū)的中性遺傳變異，在缺乏高質(zhì)量參考基因組的情況下，難以區(qū)分功能性編碼區(qū)變異與中性標(biāo)記，限制了對自然選擇、遺傳負(fù)荷和適應(yīng)性演化的系統(tǒng)評估。在保護(hù)基因組學(xué)研究背景下，整合遺傳漂變、近交、自然選擇等多重進(jìn)化過程，對蕨類植物開展基因組尺度的研究已顯得較為迫切。
中國科學(xué)院華南植物園陳紅鋒研究團(tuán)隊和康明研究團(tuán)隊，聯(lián)合上海辰山植物園、深圳仙湖植物園、南寧師范大學(xué)及比利時根特大學(xué)等國內(nèi)外科研團(tuán)隊，系統(tǒng)解析了瀕危蕨類植物蘇鐵蕨(Brainea insignis)的演化歷史與瀕危機(jī)制的基因組基礎(chǔ)(圖1)。該研究首次完成了蘇鐵蕨染色體級別基因組組裝，組裝大小達(dá) 8.62 Gb，并在此基礎(chǔ)上開展了系統(tǒng)的比較基因組學(xué)與群體基因組學(xué)分析。研究發(fā)現(xiàn)，蘇鐵蕨經(jīng)歷了一次與整個核心薄囊蕨類共享的古全基因組加倍事件，其龐大的基因組主要由長末端重復(fù)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子(LTR-RTs)的長期積累所驅(qū)動，并整體表現(xiàn)出相對緩慢的進(jìn)化速率。此外，蘇鐵蕨特有的木質(zhì)莖結(jié)構(gòu)適應(yīng)性演化，與木質(zhì)素生物合成相關(guān)基因家族的擴(kuò)張及功能高度保守密切相關(guān)，這解釋了為何在進(jìn)化的遠(yuǎn)端分支上又出現(xiàn)了“樹狀”特征。
圖1. 蘇鐵蕨形態(tài)示意
群體基因組學(xué)分析揭示了云南(YN)、越南(VN)和華南(SC)三個遺傳分化譜系，當(dāng)前的群體結(jié)構(gòu)形成受第四紀(jì)冰期、冰后期的擴(kuò)張和區(qū)域性基因流等多重歷史事件的共同影響(圖2)。與長期維持極小有效群體的瀕危物種不同，蘇鐵蕨經(jīng)歷的是相對近期的種群衰退，導(dǎo)致有效群體大小急劇下降、近交水平升高以及有害突變的顯著積累，遺傳負(fù)荷明顯加重，表明遺傳清除作用尚未成為主導(dǎo)進(jìn)化力量，當(dāng)前種群正處于持續(xù)衰退階段。進(jìn)一步的環(huán)境關(guān)聯(lián)分析表明，各遺傳譜系已出現(xiàn)與氣候因子相關(guān)的局部適應(yīng)信號。遺傳偏移模擬預(yù)測，在未來氣候變化情景下，蘇鐵蕨種群分布將進(jìn)一步碎片化，其中中南半島西南部種群面臨的滅絕風(fēng)險可能最高(圖3)。
圖2. 蘇鐵蕨的遺傳結(jié)構(gòu)和群體歷史
圖3.蘇鐵蕨的適應(yīng)性分化和遺傳偏移分析
相關(guān)研究成果以 “Decoding the genome ofBrainea insignisreveals insights into fern evolution and conservation” 為題于近日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications(《自然-通訊》)上。該研究不僅拓展了蕨類植物基因組學(xué)研究，揭示了群體歷史在塑造瀕危物種遺傳現(xiàn)狀的關(guān)鍵作用，而且為制定維持生境連通性、促進(jìn)適應(yīng)性基因流的空間化保護(hù)策略提供了重要理論依據(jù)和科學(xué)支撐。中國科學(xué)院華南植物園夏增強博士研究生為論文第一作者，康明研究員、王發(fā)國研究員和Yves Van de Peer教授為論文共同通訊作者。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究旗艦項目等資助。
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