秦岭“天空之岛”三种龙胆科高山植物的种群分化：气候变迁与地理隔离的基因组证据

编辑推荐：为解析高山植物对气候变化的响应机制，洛阳师范学院孙珊珊团队以秦岭山脉特有龙胆科植物（Gentiana crassuloides、G. hexaphylla和Swertia bifolia）为模型，通过基因组SNP（33,317-185,133个）和质体组分析，揭示其种群分化的多时期起源模式（1.18-0.25 Ma），发现温度（bio1/bio4）和降水（bio12）相关变量是驱动遗传分化的关键环境因子，为高山生物多样性保护提供科学依据。

　　

高山植物作为气候变化敏感的“哨兵物种”，其演化历史一直是生态与进化研究的焦点。位于中国中央的秦岭山脉（QM）因其独特的地理位置（海拔3500米）被称为“天空之岛”，拥有包括龙胆科植物在内的丰富高山生物多样性。然而，在全球变暖导致栖息地收缩的背景下，这些高山植物如何响应气候波动？它们的遗传特征和起源模式有何特殊性？这些问题对理解生物多样性形成机制和制定保护策略至关重要。洛阳师范学院孙珊珊团队联合中国科学院西北高原生物研究所，选取龙胆科中代表不同生活型的三种高山植物——一年生Gentiana crassuloides、多年生G. hexaphylla和Swertia bifolia，通过多组学方法揭示了它们的演化轨迹。该研究发表于《BMC Plant Biology》，为高山生物避难所的保育提供了基因组学依据。

研究团队采用基因型测序（GBS）和限制性位点相关DNA测序（RAD-seq）技术，对192个个体进行全基因组SNP分析（33,317-185,133个位点），结合质体组测序和近似贝叶斯计算（DIYABC-RF），整合19项生物气候变量进行冗余分析（RDA）和梯度森林（GF）建模。样本覆盖秦岭主峰太白山（gTB/TB/sTB种群）及青藏高原（QTP）多个地理群体。

遗传结构与分化分析显示，秦岭种群在三种植物中均形成独立分支。以Gentiana crassuloides为例，fastSTRUCTURE聚类（K=6）和主成分分析（PCA）表明gTB种群与其他群体存在显著分化（F_ST=0.431-0.714），其观测杂合度（H_O=0.103）显著低于QTP群体（p=3.83E-7），近交系数（F_IS=0.347）更高，暗示地理隔离导致的基因流受限。类似模式在G. hexaphylla（F_ST=0.216-0.305）和S. bifolia（F_ST=0.210-0.272）中同样存在。

系统发育与分歧时间表明三类植物秦岭种群起源时期各异。基于质体组的贝叶斯定年显示，G. crassuloides秦岭谱系于早更新世（1.18 Ma，95% HPD:1.05-1.32 Ma）与其姐妹群分化，而G. hexaphylla（0.11 Ma）和S. bifolia（0.36 Ma）的分化较晚。DIYABC-RF分析进一步揭示三种不同的起源模式：G. crassuloides秦岭种群为原生起源（有效群体大小N_e=581,972），G. hexaphylla源自QTP南部种群扩散（N_e=534,348），S. bifolia则通过QTP种群与“幽灵种群”杂交形成（N_e=695,373）。

环境驱动因子分析发现，温度（年均温bio1、温度季节性bio4）和降水（年降水量bio12）是塑造遗传分化的关键变量。梯度森林模型显示，G. crassuloides等位基因频率在年降水量600-620 mm、温度季节性630-680时发生突变。Mantel检验证实距离隔离（IBD）与环境隔离（IBE）的共同作用（p<0.01），但地理距离的影响更显著（偏Mantel检验p=0.01-0.046）。

该研究首次系统阐明了秦岭龙胆科高山植物的多维度分化机制：1）地理隔离（天空岛屿效应）导致遗传漂变和近交加剧；2）气候波动通过温度/降水梯度驱动局部适应；3）三类植物分别呈现原生起源、二次扩散和杂交起源的异质性演化路径。这些发现不仅揭示了秦岭作为高山植物分化“摇篮”的独特地位，也为预测气候变化下濒危物种（如秦岭特有物种Gentiana apiata）的生存策略提供了理论框架。研究者建议将温度季节性（bio4）和年降水量（bio12）等关键气候指标纳入保护地规划，同时通过迁地保护（如高山植物园移植）缓解栖息地收缩带来的遗传多样性丧失风险。