2018-03-07
宏进化是指物种间的进化，也就是针对不同目/科/属/种的样本基于同源基因进行分析。微进化，即发生在物种内的遗传变化，也就是群体（品种/亚种）在世代过程中等位基因频率的变化，微进化分析主要是基于群体SNP进行分析。针对垂枝桦（Betula pendula）的基因组测序和群体遗传分析从宏进化和微进化的角度分别揭示了适应性进化的机制，对于群体进化研究有很好的参考价值。
垂枝桦为桦木科桦木属乔木，枝条常下垂，分布于新疆北部及欧洲，生河滩、山谷或山脚湿润地带，是欧亚大陆北方森林的先锋物种。
图 1 垂枝桦形态及生境
本研究测序组装了一株4代近交系垂枝桦的参考基因组，产生了435M的高质量组装结果并利用高密度图谱定位到染色体。分析了垂枝桦不同地理分布群体及近缘种的群体SNP，揭示了桦树家族的进化历史及近期自然选择。
一、宏进化
基因重复是真核生物基因组中新功能产生的一个主要来源，植物中多倍性和串联重复与表型进化相关。葡萄的基因组被认为最好地保留了双子叶植物祖先的染色体遗迹，垂枝桦与葡萄基因组的共线性分析表明，垂枝桦在物种分化形成后没有经历全基因组倍增事件。因此，在垂枝桦基因组中，唯一的内部重复模块来自双子叶植物的γ古六倍体事件（WGD-γ，122~164MYA）。
图 2 共线性分析
（图中，蓝色：直系同源基因共线性，表示分化时间；绿色：旁系同源基因共线性，表示共同祖先的古六倍体事件）
自体共线性分析表明，来自WGD-γ的多倍体副本中转录因子强烈过表达，说明完整功能模块的重复后，对于高度相互关联的基因存在着偏向性保留。针对串联重复基因在垂枝桦、拟南芥和杨树中进行了比较分析，结果表明三个物种共有的串联扩增基因家族在次级代谢、细菌防御、激素反应、激素和营养运输等方面更为丰富，在垂枝桦和杨树共有的串联扩增序列中包括与木本植物生物特性相关的适应性相关的基因：真菌病原体防御、细胞壁生物发生、纤维素合酶活性等。
图 3 自体共线性分析
图 4 基因家族分析
多倍体重复会增加发育和生理调节等核心进程的多样性，串联重复增加了植物的环境响应能力的多样性。
二、微进化
使用GATK在总计89个个体中call SNP。主成分分析证明大多数垂枝桦个体沿PCA2形成一个线性渐变群，所有非典型个体显示高杂合度，表明新发的多倍化或杂交事件的可能性。等位基因共享（allele-sharing）分析表明，主要的垂枝桦群体存在种间杂交，表明有持续进行的双向的基因流存在。
1. 群体结构分析
使用ADMIXTURE进行分析，显示具有2个祖先群体的很弱的群体结构，简单分为东西两个群体，且在芬兰的群体存在一定程度的基因交流。这可能反映了最后一次冰川期时不同地域的分化，之后随着冰川撤退两个群体重新聚合，祖先群数量少可能由于桦树种群间高度的杂交，因为桦树作为风媒传粉物种，花粉可以传播超过1000km。
图 5 群体结构分析
2. 群体历史显示古老瓶颈效应
使用ANGSD估计除观赏种外的60个垂枝桦基因组的位点频谱，并生成阶梯图（stairway plot）来说明有效群体大小随时间的变化。最早的有效群体大小下降与白垩纪—古近纪（K-Pg）界线的大灭绝事件（即6500万年前恐龙灭绝事件）一致，随后群体快速扩张，之后的有效群体瓶颈发生在始新世—渐新世界线（全球显著降温事件）、中新世中期（降温）、更新世时期（第四纪冰期），与已知的环境变化一致。这说明基因组能提供6500万年以来桦木科整体的进化历史。
图 6 有效群体大小
3. 选择清除分析
选择清除区域基因的功能富集分析揭示3个显著增加的GO分类：跨膜受体蛋白酪氨酸激酶信号通路、组氨酸磷酸化、longitudinal axis specification。这些功能与木质素和纤维合成、光信号传导、胚胎发育、生殖隔离相关。
图 7 选择清除分析
以组氨酸磷酸化类别中的PHYC为例，PHYC和FRS10的同源基因在桦树的基因组中紧密连锁，在红外和远红外光感受、避阴、树冠密度、温度依赖性适应和花期调控中起作用。PHYC是光敏色素同源基因，光敏色素是主要调控红光和远红光响应调控物，在植物生长和生殖中起关键作用。PHYC也与生物钟的温度特异性调控相关。由于萌芽和开花都主要依赖于夜间温度，桦树中PHYC的功能或与光周期依赖的秋季花序分化、生长停止、耐寒性发展、衰老诱导相关，表明光信号传感对树木适应环境变化的重要性。
三、总结
植物基因组的多倍化和基因重复是进化的重要驱动力。宏进化研究基于直系同源和旁系同源基因的共线性分析，关注保守的核心功能，而基因重复为发育和生理调节等核心功能提供了多样性。微进化基于群体SNP分析，关注群体结构、环境适应性等，研究环境压力在基因层面的影响，而基因对环境压力的响应形成了物种特异性的表型及生理特点。
图 8 宏进化与微进化研究思维导图
综上，宏进化和微进化两者的结合分别从时间尺度的大小、基因功能的保守与特化等不同层面阐释了物种进化历程和遗传机制，作为群体进化的较为全面的研究思路值得参考。
参考文献
Salojärvi J, Smolander O P, Nieminen K, et al. Genome sequencing and population genomic analyses provide insights into the adaptive landscape of silver birch[J]. Nature Genetics, 2017, 49(6):904.
