江孜沙棘的进化历史研究

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杂交在物种形成过程中起着重要作用,异源多倍化常被认为是高等植物主要的杂交物种形成途径。随着对杂交成种的深入研究和了解,人们逐渐认识到不涉及染色体数量变化的同倍体杂交同样也是杂交物种形成的重要机制之一。青藏高原及邻近地区独特的气候、地貌类型和地质历史,为同倍体杂交物种形成提供了便利和条件。目前该地被报道的同倍体杂交物种仅有四例。其中,分布于青藏高原东南地区的江孜沙棘(Hippophae gyantsensis)被认为起源于肋果沙棘(H.neurocarpa)和云南沙棘(H.rhamnoides ssp.yunnanensis)之间的同倍体杂交。江孜沙棘形态性状稳定,大多数性状具有两个亲本的组合性质。此外,江孜沙棘和亲本有着完全的生态和空间隔离。然而,之前的研究结论主要基于少量分子标记构建的核质基因树不一致性;少量分子标记所呈现出的有限的遗传多态性仍然不能够排除其他潜在的产生“杂交信号”的情况,例如不完全谱系筛选和二次基因流等。为了进一步检验和明确江孜沙棘的进化历史和杂交物种形成模式,本研究对来自江孜沙棘、肋果沙棘和云南沙棘三个物种37个居群共计153个个体进行了简化基因组测序(RAD-seq)。通过在全基因组范围内筛选SNP和INEDL标记,对三个物种的遗传多样性、种群遗传结构、种间基因流式样进行了分析,通过近似贝叶斯计算(Approximate Bayesian Computation,ABC)对江孜沙棘的进化历史和物种起源模式进行了溯祖模拟(Coalescent simulation),最后通过扩展的贝叶斯天际线法(EBSP)进行溯祖模拟,计算了有效居群大小历史动态。主要研究结果如下:1.本研究共收集到2952637个SNP标记数据,108495个INDEL标记数据。过滤后,保留了20297个SNP位点和2622个INDEL位点,用于分析江孜沙棘及其两个亲本肋果沙棘和云南沙棘的遗传多样性。结果发现,江孜沙棘的遗传多样性最高(等位基因平均数Na为1.891,有效等位基因平均数Ne为1.335,观望杂合度Ho为0.133、期望杂合度He为0.213),其次为肋果沙棘(Na为1.737、Ne为1.331、Ho为0.089、He为0.207)和云南沙棘(Na为1.698、Ne为1.330、Ho为0.103、He为0.205)。相较于两个亲本更高程度的遗传变异表明,江孜沙棘在长期的进化过程中经历了更为复杂的群体历史动态,这可能是由青藏高原台面更为复杂的地质历史和气候波动造成的。2.基于SNPs数据重建了三个物种的系统发育关系。结果显示,除少数个体外,三个物种分别聚成三个大支;江孜沙棘与肋果沙棘亲缘关系更近,互为姊妹群。ADMIXTURE聚类分析和基于Fst成对比较矩阵的主坐标分析(PCo A)支持了这一结果,并进一步揭示出江孜沙棘种内分化。AMOVA分析表明,47%的遗传差异分布于三个物种之间。基因流分析结果显示,三个物种之间存在着少量的不同程度的基因流。以上结果表明,江孜沙棘与两个亲本之间存在着较为明显的遗传分化和生殖隔离,并进一步证实了江孜沙棘独立物种地位。3.基于近似贝叶斯(ABC)方法的溯祖模拟对江孜沙棘的起源模式进行了模拟分析。模拟结果排除了不完全谱系筛选、杂种群、二次基因流等可能产生杂交信号的模型。江孜沙棘杂交起源的模型为最优模型,获得了0.6252的后验支持率。这一结果进一步明确了江孜沙棘同倍体杂交起源的模式。4.基于扩展的贝叶斯天际线法(EBSP)进行溯祖模拟,对江孜沙棘,云南沙棘和肋果沙棘的有效居群大小随时间的变化进行分析。Beast分析的EBSP结果显示,三个种群均呈现居群扩张趋势,且江孜沙棘有效居群变大,在0.06百万年(Mya)之后第四纪冰期末有效居群开始迅速增加,表明第四冰期避难所对江孜沙棘有效居群大小起着重要作用。综上,本研究基于简化基因组数据,结合溯祖模拟等分析方法对江孜沙棘的进化历史及物种形成模式进行了研究。研究结果检验和鉴别了江孜沙棘同倍体杂交起源模式。本研究加深了我们对同倍体杂交物种形成机制的理解,同时为群体简化基因组测序在无参考基因组的非模式生物进化历史、物种形成研究中的应用提供了案例。
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