2018-12-26
研究亮点
▶ 证明了由更新世的冰期-间冰期气候振荡引起的海平面变化影响了华南大陆与邻近岛屿之间的亚热带/亚热带生物交流；
▶ 岭南青冈的分布为植物群在华南大陆岛屿上的聚集机制提供了新的见解；
▶ 地理隔离和环境异质性是岭南青冈种群空间遗传模式形成的重要因素，环境基因组学分析确定了常绿阔叶栎树对环境异质性的潜在适应机制。
毗邻中国南部太平洋海岸的是许多大陆岛屿，包括最大的岛屿台湾和海南，这两个岛屿的物种多样性非常相似。为了揭示华南大陆和岛屿的植物进化和生物地理历史，研究人员选取了在分布模式和种子散布方式上具有代表性的岭南青冈作为目标物种，利用简化测序（RAD-seq）的方法，对其种群结构、种群历史和进化适应性进行了研究，揭示了华南地区及其毗邻岛屿的独特的生物进化历史及生物群落的局部适应性。
岭南青冈的群体SNP检测
RAD-seq能够在在没有参考基因组的情况下，从数千个同源位点生成全基因组序列数据。栎树等生命周期长且频繁发生种间杂交，RAD-seq是适用于此类物种的群体进化研究的有效方法。
测序样本采集于2010~2015年的华南和越南北部等地（表1）。对19个群体的60个植株进行RAD-seq，PstI酶切，Hiseq平台测序（2 * 150 bp），平均数据量约为0.8G/样。剔除数据量最低的4个样品后，采用Stacks v1.46软件进行分析，为了获得最大SNP数目和最低SNP缺失率进行了参数调试，最终在2513个loci中得到5207个SNP用于后续分析。
群体遗传多样性和群体结构
使用Stacks v1.46软件包中的populations模块统计了每个群体的核苷酸多样性（π）、期望杂合度（He）、观测杂合度（Ho），如表1。在群体（population）水平，显示C02群体的遗传多样性最高，C09和C17遗传分化程度最高（Fst=0.258）；在群组（group）水平，HN的遗传多样性最高，HN和TW的遗传分化程度最高（Fst =0.116）。
表 1：岭南青冈的样品信息及遗传多样性
采用STRUCTURE 2.3.4基于admixture model，利用非连锁的SNP分析群体结构，利用delta-K值判断最佳聚类值为K=3。
采用R v3.2.3软件中的adegenet包进行PCA分析，并使用vegan包计算样品地理坐标和PCA间的关系。PCA显示群体分为4个类群，前三个主成分分别解释了10.16%、6.78%和4.78%的遗传变异。使用前两个主成分的普氏分析显示遗传结构与地理分布显著一致（p < 0.001）（图1）。
系统发育树的构建分别采用MrBayes v3.2.6 (MPI)和RAxML v8.2.4构建贝叶斯树（BI tree）和最大似然树（ML tree），模型选择均为GTR+GAMMA model，以Quercus sichourensis 和 Q. kiukiangensis作为外群构建有根树。贝叶斯和最大似然法的进化树拓扑结构相似。进化树显示HN、SW、TW分别形成分支，但TW嵌入SE中，表明HN是其他群组的姐妹群，而SW是除HN外的其他群组的姐妹群（图2）。
图1：56个岭南青冈个体的主成分分析（HN黄色，SW蓝色，TW绿色，SE红色；小圆代表个体的PCA分布，大圆代表群体的地理分布；灰色曲线代表海平面降低80m时的海岸线；箭头表示DIYABC计算的迁移路线，箭头粗细与有效群体大小成正比）
图2：系统发育树（HN黄色，SW蓝色，TW绿色，SE红色）
种群分化和种群历史
采用DIYABC 2.1软件的近似贝叶斯算法估计种群历史，采用1105个SNP计算，每个SNP的缺失个体数≤3。结果显示岭南青冈起源于中国西南-越南北部地区，随后散布到海南及中国东南地区。有效群体大小中间值估计为：SW : 72,000 (95% CI: 35,700–96,800)，TW : 9230 (95% CI: 2270–52,200)， HN: 65,400 (95% CI: 45,400–75,800)，SE: 93,500 (95% CI: 69,300–99,500)。 栎属常用的代时是50年，以此估计的分歧时间分别是：TW – SE: 227,500 年前，SE – SW: 242,000年前，HN – SW: 363,000年前。若以120年为代时，估计的分歧时间为：TW – SE: 546,000 年前，SE – SW: 580,800年前，HN – SW: 871,200年前。
环境基因组学模式
为了评估环境变量对群体遗传结构的影响，采用R包gradientForest进行梯度森林分析（gradient forest, GF）。GF是分析空间、环境和等位基因变量之间非线性关系的有效方法。GF分析表明，24个检测的环境因子中，等温性（isothermality, 昼夜温差与年温差比值）是物种等位基因频率最重要的预测因子，其次为年降水量、最冷季度降水量和温度季节性（图3, A）。在等温性在40~42，年平均降水2000~2500 mm，最冷季度降水80~120 mm时，等位基因组成发生显著变化（图3, B）。
图3：环境因子解释遗传变异的R2加权重要性
利用对遗传变异贡献最高的6个环境因子进行局部环境适应性研究。采用R包LEA进行潜在因素混合建模（latent factor mixed modeling, LFMM）分析。LFMM分析发现以下显著关联：48个SNP与降水的季节（bio15）性相关、30个SNP与年降水量（bio12）相关、17个SNP与温度的季节性（bio4）相关。三类关联SNP所属的loci位点的Venn图分布见图4。
图4：三种环境因子相关位点的Venn图分布
总计有39个loci与环境因子相关联，其中25个采用blastn比对到栓皮栎（Quercus suber）的基因组（表2），注释到的基因功能包括叶片功能调节、适应季节性降水的生殖器官发育等。
表2：受到选择的25个候选位点
总 结
综上所述，遗传结构与地理分布一致，表明岭南青冈群体有显著的地理结构，与缺乏长距离传播种子和缺乏群组间基因流有关。在HN群组中检测到最高的遗传多样性，可能来源于SW群组。HN群组与其他3个群组表现出显著差异，表明海南岛的群体可能经历了基因渗入，导致遗传多样性增加及特异性的基因库。栎属种间的杂交和渗透是一种常见现象，海南岛分布着多种栎树，这些物种可能对HN群体的高遗传多样性产生作用。
DIYABC推测岭南青冈的起源地为中国西南-越南北部地区，与化石记录一致。因此推测岭南青冈在中国西南有很长的进化历史并至少在新第三纪晚期就广布于西南地区。近期对中国东南植物群落的研究同样表明，中国西南部是东南地区植物的发源地。
海南岛与大陆有相似的植物群落组成，两者的差异随着海岛形成导致的地理隔离而产生。本研究推测岭南青冈传播到海南和台湾的时间晚于海岛与大陆分离的时间。此外，海南的植物群落与亚洲热带物种有很强的相似性，而特异性很低，表明是大陆起源的。晚更新世的冰川期和间冰期伴随着海平面的升降，对海陆变迁有深远影响。岭南青冈传播到海南和台湾的时间与冰川期一致，而分布到东南的时间与冰期后时间一致（图5）。冰川期的海平面比现在低64~85m，有大陆桥连接着海南、台湾和华南大陆。因此推测冰川期的大陆桥使岭南青冈分布至岛屿，并使得大陆和岛屿间生物交流成为可能。
图 5：华南地区海平面高度变化图（红色和粉色标记分别代表以50年和120年为代时计算的迁移时间；方形：迁移到海南，星形：迁移到东南，圆形：迁移到台湾）
除了地理隔离，环境因子的变化同样影响岭南青冈的遗传结构。结果显示，等温性与群体遗传变异关系作为显著。LFMM分析表明降水季节性对岭南青冈的局部适应性贡献作为显著。叶片的性状和功能，如叶形、大小和比叶面积，受到遗传和环境因子的强烈影响。野外调查显示叶片性状随水分供应而变化，具有厚革质叶且边缘后卷的个体常生长于开放多风且有季节性干燥期的地带（图1(C), type I），而具有薄革质叶且边缘平整或轻微后卷的个体生长于全年高湿度的地区（图1(C), type II）。本研究检测到的与叶片性状相关的适应性位点包括丝氨酸-乙醛酸盐转氨酶基因、MADS-box基因、微管折叠辅助因子D基因等。结果表明岭南青冈通过调节营养器官和生殖器官来响应气候变化。
参考文献
Jiang, Xiao-Long & M. Gardner, Elliot & Meng, Hong-Hu & Deng, Min & Xu, Gang-Biao. (2019). Land bridges in the Pleistocene contributed to flora assembly on the continental islands of South China: Insights from the evolutionary history of Quercus championii. Molecular Phylogenetics and Evolution. 132. 36-45. 10.1016/j.ympev.2018.11.021.
