北师大生态学系核桃研究团队基于全基因组数据揭示麻核桃走向进化的死胡同

　　

      杂交在物种形成中发挥了很大的作用，但一些杂交个体可能永远不会继续往下繁殖，而是走向了遗传的死胡同（dead-end）。麻核桃（Juglans hopeiensis），俗名“文玩核桃”，历史久远，资料记载“起源于汉隋、流行于唐宋、盛行于明清”，因其独特的外形而具有艺术价值，深受人们喜爱。目前，麻核桃仅零星分布于北京、河北和天津的山区，本研究团队在2018年和2019年的野外调查中发现，现存的野生麻核桃数量极少（可能不到100棵）。在叶片和果实的形态特征上，麻核桃介于栽培核桃（J. regia）和核桃楸（J. mandshurica）之间（图1），而在染色体数量上，这三个类群彼此相等（2n=32）；因此，过去有研究认为麻核桃是栽培核桃和核桃楸同倍体杂交物种形成，但也有研究认为麻核桃是核桃楸的变种。截至本研究前，基于分子数据的研究还尚未解决麻核桃的分类地位及其与属内其他种的系统发育关系。

图1 麻核桃及其推定亲本类群的果序和叶的形态对比

由于麻核桃分布的区域，常常与核桃楸和野核桃（J. cathayensis）的杂交群体以及栽培核桃同域分布（图2），再加上野生麻核桃的花粉萌发率和结实率非常低，因此本研究团队猜测麻核桃可能是杂交子一代个体，而非一个进化谱系。本研究团队收集了49个野生麻核桃以及102个推定的亲本类群（栽培核桃和野核桃、核桃楸以及野核桃与核桃楸的杂交个体）个体，进行了预期深度为30×的全基因组重测序。为了降低参考基因组比对的偏差影响，本研究对与胡桃属各物种遗传距离相等的枫杨（Pterocarya stenoptera）进行了全基因组的从头测序和组装。同时，为了更好的检测结构变异对生殖隔离的作用，本研究团队还将原有组装的栽培核桃、核桃楸和北美黑核桃（J. nigra）3个物种的基因组升级到了染色体水平。研究结果表明，现今所有的麻核桃个体均为杂交一代（F₁）。第一，不论是核苷酸多样性还是个体杂合度，麻核桃都是其亲本类群的两倍（图3C）；等位基因折叠频谱显示，麻核桃呈现显著的杂交一代双峰分布特征。第二，种群结构分析表明，无论是分为2组还是3组（图3A），麻核桃均为一个混合组分。主成分分析表明，麻核桃与其亲本类群的遗传距离相等（图3B）。第三，使用基于贝叶斯方法的NewHybrids软件发现，麻核桃的49个体均为F₁个体，且支持率为100%。第四，hPSMC分析表明，在1–2 Ma期间麻核桃的有效种群大小远大于其两个亲本类群（图4A），符合F₁代的两个亲本形成生殖隔离且存在基因流时PSMC推断出的有效种群大小变化的特征。

图2 麻核桃及其推定亲本类群的采样信息和果实形态

图3 麻核桃及其亲本类群的基因组变异信息

全基因组遗传分化和基因组结构变异的分析显示，麻核桃的杂交亲本存在合子后生殖隔离。基于核桃楸和栽培核桃，野核桃和栽培核桃的两组类群之间的全基因组遗传分化分析，鉴定出共有的49个F_ST高分化区域，将这些区域里的133个基因进行GO富集分析，发现这些基因与果实发育相关的生物学过程如ABA激活的信号通路、细胞对ABA刺激的反应和果实形态发生，以及与花粉发育相关的生物学过程相关。进一步对两组类群进行结构变异检测，鉴定出6个共有的长于10 kb的倒位区域，这些倒位区域的基因进一步富集到了与花粉萌发和花粉管发育相关的生物学过程。这些高分化区域和倒位区域，可能参与了有性生殖的合子后生殖隔离的形成。

图4 种群历史动态分析

研究发现麻核桃的两个亲本发生次级接触的时间约为37万年前（图4B），推测发生接触的地点可能是栽培核桃与野核桃邻接的中国西南地区（图2）。在一些报道为同倍体杂交物种形成的树种中，成功的生殖隔离通常需要几百万年，而麻核桃的两个亲本直到37万年前才开始产生接触，这或许是麻核桃没有走在物种形成路上的一个原因。麻核桃花粉活力低下，推测结实出的果实通常为其两个亲本类群的花粉落到麻核桃的柱头上而形成的回交子代个体（F₁×P₁或F₁×P₂），而并非麻核桃个体间异交产生的（无F₂）。虽然麻核桃野生资源如今特别稀少，但这个类群本身不具有保护义。本研究强调杂交个体的持续存在并不能代表是一个稳定的杂交谱系或物种，未来应基于基因组学的手段在更多类群中开展相关的验证工作，尤其是林木物种。

本研究成果于2021年10月23日正式发表在国际学术期刊Molecular Biology and Evolution上。博士研究生章为平和硕士研究生曹磊为该论文的共同第一作者。博士研究生林莘蕊、丁亚梅和梁钰为本论文的共同作者。北京师范大学白伟宁、庞尔丽、张大勇和美国华盛顿大学Susanne S. Renner教授为该论文的共同通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划项目(2017YFA0605104)、国家自然科学基金项目(41671040和31421063)、“111”高校学科创新引智计划项目(B13008)、地表过程与资源生态国家重点实验室重点项目的支持。

文章链接：https://doi.org./10.1093/molbev/msab308