New Phy | 景觀和范圍擴張對高山松的群體結(jié)構(gòu)和局域適應的影響

kibcat 2023-08-04 發(fā)布于美國

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高山松的群體基因組學和景觀基因組學研究

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Cover Legend | Pinus densata forest on the southeastern Qinghai-Tibetan Plateau. Photo courtesy of Wei Zhao (Zhao et al., pp. 330–343).

Zhao, W., Sun, Y., Pan, J., Sullivan, A. R., Arnold, M. L., Mao, J., & Wang, X. (2020). Effects of landscapes and range expansion on population structure and local adaptation. ***New Phytologist***, 228(1), 330–343. https:///10.1111/nph.16619

于默奧大學生態(tài)與環(huán)境科學系教授王曉茹表示：“了解不同地區(qū)遺傳多樣性的起源和分布對于預測氣候變化中生物體的未來至關(guān)重要”。

該研究解決了景觀遺傳學中的一個基本問題：種群歷史、地理和自然選擇在塑造野生種群遺傳多樣性方面的相對作用。

在這項研究中，王曉茹教授和北京林業(yè)大學毛建豐教授分析了青藏高原關(guān)鍵造林樹種高山松的多樣性和種群結(jié)構(gòu)。他們將遺傳變異映射到分布范圍內(nèi)的地理和氣候變量，以確定地理和生態(tài)因素對觀察到的空間遺傳模式的貢獻?；谶@些信息，該研究進一步模擬了其遺傳遺產(chǎn)如何限制高山松在未來氣候中的持續(xù)存在。

高葉松是青藏高原東南部的優(yōu)勢造林樹種。攝影：趙偉

結(jié)果表明，對極端環(huán)境的顯著適應，加上過去群體歷史導致的遺傳多樣性減少，限制了其對氣候變化的潛在進化反應。

作為青藏高原東南部的優(yōu)勢造林物種，高山松的恢復能力是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。青藏高原是地球上最大的高原，也是最脆弱的生態(tài)系統(tǒng)。雖然青藏高原的深谷和高山脊有助于創(chuàng)造全球生物多樣性熱點，但這些特征也可能限制對氣候變化的適應性反應。對于分散能力有限的生物體來說，這是一個特別令人擔憂的問題。

“高山松基因組脆弱性的強烈信號可能代表高原特有性。隨著我們積累更多的例子，將有可能對群體和景觀因素如何限制或促進對新奇和不斷變化的環(huán)境的適應有更全面的了解?！蓖鯐匀憬淌诮忉尩?。

該研究是與北京林業(yè)大學密切合作進行的；聯(lián)合研究團隊已經(jīng)在這個研究系統(tǒng)上共同努力了 20 多年。

于默奧大學生態(tài)與環(huán)境科學系教授 | 王曉茹

Figure

Figure 1 | Population genomic structure in Pinus densata.

Figure 2 | Plot of nucleotide diversity vs geographic distance from the suggested ancient hybrid zone for average heterozygosity per locus.

Figure 3 | Gradient Forest mapped genotype–environment relationships across the Pinus densata distribution range based on all single nucleotide polymorphisms (SNPs).

Figure 4 | Prediction of genomic mismatch to future climate change for all single nucleotide polymorphisms (SNPs)

了解不同地區(qū)遺傳多樣性的起源和分布對于預測氣候變化中生物體的未來至關(guān)重要。本研究調(diào)查了青藏高原 (QTP) 的關(guān)鍵樹種高山松的適應性和種群動態(tài)歷史力量如何影響其遺傳多樣性和種群結(jié)構(gòu)。

使用外顯子組捕獲測序分析高山松分布范圍內(nèi)的基因組多樣性。應用空間顯式檢驗來剖析等位基因沖浪、地理隔離和環(huán)境梯度對種群分化的影響，并預測這種遺傳遺產(chǎn)如何限制高山松在未來氣候中的持久存在。

研究人員發(fā)現(xiàn)范圍擴展的等位基因沖浪可以解釋 39% 約48 000 個基因型單核苷酸多態(tài)性 (SNP)。未經(jīng)校正，這些等位基因頻率曲線嚴重混淆了選擇的分析。在控制了群體歷史后，環(huán)境隔離解釋了 9.2-19.5% 的遺傳結(jié)構(gòu)，其中約4.0% 的基因座受到選擇的影響。等位基因沖浪和基因型-環(huán)境關(guān)聯(lián)導致在預測的氣候情景下的基因組錯配。

Repeated founder effects combined with density-dependent competitive exclusion can allow alleles to 'surf’ to very high or low frequencies, which may leave a molecular signature similar to selection.

結(jié)果表明，顯著的局部適應，再加上群體歷史導致的多樣性減少，限制了高山松對氣候變化的潛在進化反應。高山松的基因組脆弱性的強烈信號可能代表其他 QTP 特有性。