基于RAD-seq的内南五味子及其近缘种的系统发育研究

来源 :北京协和医学院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cxqr520
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滇鸡血藤是我国传统中药,收载于《中国药典》(2020版)中,是五味子科南五味子属植物内南五味子Kadsura interior的干燥藤茎。由于形态性状的相似,有研究将其与异形南五味子进行了归并,此外,内南五味子与其他近缘物种之间的亲缘关系及物种界定一直不够清晰,因此经常导致药材混用的问题,这对滇鸡血藤药材的开发利用造成了阻碍。本研究使用简化基因组测序技术(RAD-seq,Restriction-site Associated DNA Sequence)对内南五味子 K.interior、异形南五味子K.heteroclita、长梗南五味子K.longipedunculata、冷饭藤K.oblongifolia和黑老虎K.coccinea这五个物种共计107份样品进行了测序,并开发了两套单核苷酸多态性(SNP)数据集。基于这些数据集,对遗传多样性,系统发育重建、群体遗传结构、分化时间等进行了分析。同时,根据物种分布和气候环境变量构建了五个物种的末次盛冰期及现代的潜在分布区模型。主要结果如下:(1)107个南五味子属植物样本共计得到976 G的高质量clean data。通过STACKS软件的分析流程进行SNP的检测和过滤,分别得到了物种水平和居群水平的两个SNP数据集。其中物种水平共得到5,998个RAD基因座,包含18,820个SNPs;居群水平共得到813个RAD基因座,包含1,771个SNPs。基于这些SNP数据集进行了遗传多样性参数的计算,结果显示内南五味子及其近缘物种的核苷酸多样性(π,nucleotide diversity)范围是 0.0121~0.0288,观测杂合度(Ho,observed heterozygosity)的范围是 0.0105~0.0187,期望杂合度(He,expected heterozygosity)的范围是 0.0760~0.1082,近交系数(FIs,inbreeding coefficient)的范围是 0.2124~0.3381,其中内南五味子的遗传多样性最低,遗传变异最小,黑老虎遗传多样性最高。两两物种间成对遗传分化指数(FST,fixationindex)的范围是0.0737~0.5031,其中异形南五味子、长梗南五味子和冷饭藤三个物种之间存在中等程度的分化,内南五味子与上述物种之间存在中度分化到高度分化,黑老虎与其他物种的遗传分化程度最大。(2)主成分分析结果显示异形南五味子和长梗南五味子聚成一簇,而内南五味子、冷饭藤和黑老虎则形成三个独立的簇。基于SNP构建的最大似然树结果显示,每个物种都形成了单系,其中冷饭藤和长梗南五味子互为姊妹支,异形南五味子是这两个物种的姊妹群,内南五味子处于基部。基于叶绿体基因组序列构建的最大似然树则略有差别,主要体现在长梗南五味子和异形南五味子没有形成单系。STRUCTURE分析表明,当K=5时,内南五味子及其近缘物种的分群结果最佳,内南五味子和黑老虎分别具有独立的遗传成分,异形南五味子、长梗南五味子和冷饭藤共同享有三种主要的遗传成分。(3)通过DIY-ABC模拟了内南五味子及其近缘种分化形成的历史场景,后验概率计算得到的最佳场景表明,长梗南五味子分别与异形南五味子和冷饭藤存在混合。进一步通过D-统计计算了几个物种之间的基因流,结果显示,异形南五味子、长梗南五味子和冷饭藤三者间确实存在基因流或基因渐渗。基于SNP估算的分歧时间表明,南五味子属几个物种的分化时间为20.41 Ma(megaannus),内南五味子与其余三个物种的分化时间大约在6.97 Ma,异形南五味子与其余两个物种的分化时间大约在6.01 Ma,长梗南五味子和冷饭藤的分化时间大概为5.77 Ma。(4)基于植物标本馆及野外调查的内南五味子及其近缘种的分布信息和19个生物气候变量,通过最大熵模型对五个物种在末次盛冰期、中全新世、现代的潜在分布区进行了模拟。结果表明:不同物种的潜在分布区模型比较准确,从末次盛冰期(LGM,Last Glacial Maximum)时期到现代,内南五味子的总体适生区呈现收缩的变化趋势,而异形南五味子、长梗南五味子、冷饭藤和黑老虎的中、高度适生区同时向高纬度地区和东南沿海地区移动,并且潜在分布区变得更加广阔。本研究阐释了内南五味子及其近缘物种的亲缘关系,并提出内南五味子不应该归并为异形南五味子的观点,发现了异形南五味子、长梗南五味子和冷饭藤3个物种之间存在杂交或基因渐渗。此外,还发现内南五味子与其他物种存在生态位分化。论文研究结果揭示了内南五味子及其近缘物种的遗传差异和地理分布格局,厘清了内南五味子的分类地位,为滇鸡血藤药材的应用和质量控制提供了参考。
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