横断山区红豆杉属自然杂交种的群体基因组学研究

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杂交物种形成是进化生物学的核心问题之一,澄清自然杂交种的遗传结构有助于揭示杂交物种形成的过程和机制。本研究以分布于横断山地区的红豆杉属2个自然杂交种高山红豆杉(Taxus florinii)和峨眉红豆杉(Emei type)以及它们的亲本种喜马拉雅红豆杉(T.wallichiana)和红豆杉(T.chinensis)为研究对象,利用ddRAD-seq技术对4个物种22个居群的212个个体进行简化基因组测序,基于单核苷酸变异位点(SNP)数据进行群体基因组学分析,研究亲本种与杂交种的遗传多样性和结构,并对杂交物种形成的过程和机制进行探讨。此外,基于简化基因组数据开发了16个多态性微卫星标记。  本研究主要内容包括:⑴利用4个物种4个个体(每种1个个体)的ddRAD-seq数据对Stacks软件的4个主要参数进行遍历,通过不同参数组合的分析比较,发现参数变化与结果无明显关系。参数组合m=3,M=4,n=3,max_locus_stacks=3所得SNP数目最多,所含有的多态位点最多,而且参数设置相对较为严格,结果能够真实反映物种间的亲缘关系。利用该参数组合,结合校正模型及生物学限制条件(如MAF<0.01),在位点缺失率小于5%条件下共获得基因组水平上1,962个SNP位点。通过邻接法建树验证,6个平行实验的重复个体均分别聚在一起,表明筛选后的数据具有很强的可重复性。⑵基于筛选出的1,962个SNP位点对红豆杉属4个物种进行了群体基因组学分析。结果表明,物种间遗传多样性存在明显差异,杂交种峨眉红豆杉遗传多样性最高,而杂交种高山红豆杉的遗传多样性最低,可能与它们的居群进化历史与地理分布相关。不同物种在居群水平上遗传多样性差异明显,种内居群间的遗传多样性也存在较大差异,可能与近期发生的基因流有关。AMOVA分析结果表明,4个种的遗传变异式样相似,遗传变异主要在居群内,而居群间的遗传变异较低。在物种水平上,种间遗传分化显著(FST=0.16,P<0.001),与STRUCTURE和DAPC分析结果表明,4个红豆杉物种分别形成不同的遗传分组,种间遗传分化明显,但种间存在基因渐渗;而PCoA与NJ树分析结果表明,物种个体水平的遗传聚类与群体水平的聚类不一致,可能由于地理分布相邻的居群间仍发生种间杂交或基因渐渗。结合已有的叶绿体基因片段的系统关系重建与分化时间估算,首次证实了高山红豆杉和峨眉红豆杉是喜马拉雅红豆杉和红豆杉通过杂交独立形成的两个新种,与亲本种已产生明显的遗传分化,代表独立的进化显著单元。结合该地区的地质和气候历史,推测自然杂交种高山红豆杉、峨眉红豆杉的杂交物种形成可能与中新世中晚期横断山的快速隆升与亚洲季风的加强密切相关。⑶微卫星作为多态性丰富的共显性标记被广泛用于遗传学研究中。本研究利用高山红豆杉10个个体的ddRAD-seq数据开发了多态性微卫星标记。研究共获得2,993条含有微卫星序列的一致性contigs,包含了3,053个微卫星区域,其中526条contigs包含多态性微卫星序列,但只有237条满足引物设计条件。随机选取128条设计引物开展PCR扩增效率和位点的多态性检验,其中16对引物呈现出良好的PCR扩增效率,并获得清晰的多态性条带。16对引物在高山红豆杉两个居群的遗传分析表明,等位基因数目(NA)有2到10个,平均为4.875个;观测杂合度(HO)从0.000到1.000,平均为0.580;期望杂合度(HE)从0.000到0.789,平均为0.530。这些微卫星位点可用于高山红豆杉的群体遗传学和物种形成研究。
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