成都生物所在解析四川特有极小种群物种五小叶槭的濒危机制方面取得新进展

　　

五小叶槭（Acer pentaphyllum Diels）为槭属（Acer）五小叶槭系（Ser. Pentaphylla）唯一物种，自然生长于中国四川省雅砻江流域海拔2100–3100m的干热河谷地带。该物种树形优美，叶片狭长，因其罕见的五裂叶型和绚丽的季节性色彩（图1）在国内外园艺界备受青睐，被誉为最具观赏价值的枫树之一。

图1?五小叶槭形态特征。（a）成树；（b）沿江大规模分布图；（c）花；（d）翅果；（e）幼苗；（f，g）秋季不同叶色图。

五小叶槭自1929年由约瑟夫·洛克（J. F. Rock）首次发表以来就销声匿迹了数十年，直至1982年中国科学院成都生物研究所印开蒲研究员在四川省九龙河附近意外地采集到一份标本，才使得这一珍稀物种重新出现在人们的视野之中。然而，该物种分布范围极其狭窄，仅在雅江、康定、九龙和木里四个县有分布，加之道路建设和放牧等人为活动造成的栖息地严重破碎化，当前正面临着严峻的生存挑战。鉴于此，五小叶槭先后被列为极度濒危物种（CR）、四川省重点保护植物、四川省极小种群野生植物（PSESP）和国家二级保护野生植物（2021年9月），亟需开展其濒危机制和抢救性保护方面的工作。

为探索五小叶槭小种群的形成原因和维持机制，中国科学院成都生物研究所徐波课题组对该物种进行了全面调查，并结合Illumina、PacBio HiFi和Hi-C等技术开展了一系列的保护基因组学研究。该研究首次构建了五小叶槭高质量、染色体水平参考基因组，大小为626.26 Mb（2n = 26）共注释到38,540个蛋白编码基因。系统发育研究表明，五小叶槭于始新世晚期（~37.83 Mya）与漾濞槭和糖槭发生分化（图2）。通过与其他槭属物种进行比较基因组分析显示，尽管该物种仅经历过核心双子叶植物共有的一次六倍化（即：γ hexaploidization）事件，但其基因组上的转座子（TEs）却在过去的1,000万年里发生了快速扩增，这可能是导致高重复序列占比（70.64%）的原因。

图2?（a）基因组特征圈图；（b）15个物种特有/共有基因家族数量；（c）包含分化时间和扩张/收缩基因数量的系统发育树。

扩张收缩分析结果表明，一些与光合作用、植物激素信号转导等相关的基因家族发生了显著扩张且/或受到了正选择（图2），它们之中有些在五小叶槭面临干旱环境时会高量表达（例如PP2C、E3泛素蛋白等），可能在应对非生物胁迫的过程中发挥着重要作用（图3）。因此，这些扩张收缩和正选择基因反映了对干热河谷独特生境的适应策略，他们在该物种应对干旱/低温胁迫时发挥的作用是我们后续研究的重点。

图3?干旱条件下五小叶槭差异表达基因的热图（a）和火山图（b）。

为解析五小叶槭濒危的遗传机制，我们对目前所有已知分布区的28个居群（其中有17个是新分布）的227个个体开展了重测序，进行种群基因组分析。结果显示，该物种具有明显的种下谱系结构，可划分为7个遗传组分，除了一些小种群外，大部分谱系间存在遗传混合（图4）。与其他濒危物种（例如漾濞槭、珙桐等）相比，五小叶槭的遗传多样性水平极低（1.212 ± 1.058 × 10^?3），尤其体现在一些分布区边缘的小种群中（CDG、TKX、TES等）。这些小种群遗传负荷较高，ROH和纯合有害突变较多，可能与持续的近交和隔离有关。尽管核心分布区（谱系6）种群间基因流较强，但栖息地破碎化仍导致了孤立种群的形成和适应潜力的降低。功能注释显示，有害突变显著富集在与能量代谢相关基因上，这可能进一步削弱该物种的长期适应潜力和生存前景，并影响其长期生存能力。

图4?基于中性位点的五小叶槭各亚种群遗传结构（a，d）、PCA分析（b）与系统发育关系重建（c）。

我们进一步使用PSMC、fastsimcoal2和Stairway plot2软件观察到发生在早更新世时期的微弱北向基因流动，可能与当时相对温暖的气候有关。随后五小叶槭经历了2次严重遗传瓶颈（图5），分别发生在早–中更新世气候转型期（~1.4–0.8 Mya）和倒数第二次冰期（~0.36–0.1 Mya），并伴随着种群规模急剧下降和南向基因流动。最近一次瓶颈之后，其有效种群规模保持相对稳定，直至现在。然而，我们在野外调查到的资源总数（Nc ≈ 1.65 × 10?）显著少于估算的有效种群大小（Ne ≈ 1.19 × 10⁶），可能与日益加剧的人类活动有关，表明该物种目前正面临着巨大的生存压力。

图5?由PSMC（a）、fastsimcoal2（b，c）和Stairway plot2（d）推断的五小叶槭种群动态历史。

种群基因组学分析还揭示了一种不同寻常的扩散模式，我们发现五小叶槭各个居群的系统发育地位与其在雅砻江上下游的位置几乎完全相反（图4），分布区最南部的居群（CDG和TKX）是最古老的两支，而北部居群则更为年轻，表明该物种在谱系分化之前或期间存在从下游到上游的扩散。原因可能与干热河谷的形成原因有关，雅砻江河谷是由青藏高原东南缘隆升及东亚季风活动形成的，海拔2,000–3,000米的区域生长着茂盛的阔叶混交林，为五小叶槭提供了主要的栖息地。我们推测中上新世前的温暖湿润气候可能促进了其在暖温带混交林扩张过程中向北迁移，而中上新世以来的持续降温及上新世–更新世转型期间东亚季风的增强驱动了干热河谷沿着河流向北扩展。深谷、局部风系和雨影效应进一步加剧了谷底的干旱，推动了干旱生境的北扩，导致了种群（尤其是南部区域）的分隔。物种分布区建模（SDM）的结果也支持这一假说，五小叶槭的最适宜分布区显示出冰期显著收缩，而暖期略微北扩（图6）。

图6?四个不同时期的物种最适分布区模拟。

综上所述，地质事件导致的遗传瓶颈、较强的近交和有害突变积累以及人为活动导致的生境破碎化，是五小叶槭当前出现低遗传多样性和小而孤立种群的主要原因。基于这些结果，我们提出了包括确定管理单元和进化显著单元及遗传救援建议在内的保护策略。研究结果不仅为五小叶槭的保护提供了支持，还为未来的园艺性状开发提供了重要资源，并为研究适应极端环境的其他濒危植物物种提供了参考模型。

以上成果以“High-Resolution Genome Assembly and Population Genetic Study of the Endangered Maple Acer pentaphyllum (Sapindaceae): Implications for Conservation Strategies”为题发表在国际园艺学著名期刊Horticulture Research上，成都生物所徐波研究员和冯钰助理研究员为本论文的共同通讯作者；博士研究生李雄为第一作者。该研究得到了研究所攻关团队项目、国家自然科学基金、野生植物四川省科技资源共享服务平台和中国西部青年学者等项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1093/hr/uhae357