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國(guó)家植物園研究團(tuán)隊(duì)揭示裸子植物百歲蘭局域分布群體間基因組分化的機(jī)制和性別決定系統(tǒng)
百歲蘭(Welwitschia mirabilis)是裸子植物中買(mǎi)麻藤類(lèi)百歲蘭科的唯一現(xiàn)存物種，又名千歲蘭，被國(guó)際植物學(xué)會(huì)列為世界八大珍稀植物之一。其形態(tài)極為獨(dú)特，一生僅有兩片葉，持續(xù)生長(zhǎng)不脫落，個(gè)體壽命可長(zhǎng)達(dá)3000年，是已知壽命最長(zhǎng)的植物之一。該物種僅分布于非洲西南部的納米布沙漠，其分布區(qū)沿大西洋海岸南北延伸超1000公里，形成多個(gè)片段化的分布區(qū)域。已有研究表明，其群體在這些區(qū)域間發(fā)生了顯著的遺傳分化。中國(guó)科學(xué)院植物研究所汪小全研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)野外實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，該物種地理距離很近的群體間也在生境、物候期等方面發(fā)生了顯著分化。該分化在基因組上有何表現(xiàn)?驅(qū)動(dòng)分化的生物和非生物因子是什么?此外，百歲蘭是功能性雌雄異株植物，個(gè)體或產(chǎn)生具可育雄蕊和不育胚珠的兩性球花，或僅產(chǎn)生具可育胚珠的雌球花。這一性狀在買(mǎi)麻藤類(lèi)中具有一定的代表性，卻明顯不同于大多數(shù)裸子植物的單性球花結(jié)構(gòu)。百歲蘭性別決定的分子機(jī)制是什么?
為探討上述問(wèn)題，國(guó)家植物園(南園)汪小全研究團(tuán)隊(duì)利用已經(jīng)測(cè)序的百歲蘭基因組(約6.8 Gb)，對(duì)該物種分布于納米布沙漠南端地理距離很近的5個(gè)群體130個(gè)個(gè)體進(jìn)行了全基因組重測(cè)序，開(kāi)展了群體基因組比較和環(huán)境因子等綜合分析(圖1)。研究顯示，基因組在這些群體間發(fā)生了顯著分化，地理隔離是重要驅(qū)動(dòng)力，其通過(guò)限制基因流直接導(dǎo)致了譜系間的遺傳分化，環(huán)境因素(尤其是土壤異質(zhì)性)在群體分化中也具有重要作用。同時(shí)，百歲蘭以蟲(chóng)媒傳粉為主、傳粉動(dòng)物的飛行力弱，并靠水力協(xié)助擴(kuò)散種子。這些特性也限制了群體間的基因交流，加強(qiáng)了群體間遺傳分化。基因組變異檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，群體間的基因組分化景觀呈現(xiàn)高度異質(zhì)性，基因組島嶼廣泛分布于整個(gè)基因組，這主要?dú)w因于祖先多態(tài)的差異分選和搭車(chē)效應(yīng)。此外，通過(guò)對(duì)30株雄性和30株雌性百歲蘭個(gè)體的全基因組關(guān)聯(lián)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)其性別決定系統(tǒng)為XY型，性別連鎖區(qū)域位于6號(hào)染色體的72.04-92.82 Mb(圖2)。有趣的是，在該區(qū)域中并未發(fā)現(xiàn)已知在其他裸子植物(如蘇鐵、銀杏)性別決定中起關(guān)鍵作用的MADS-box基因家族成員。百歲蘭科的XY型性別決定系統(tǒng)這一發(fā)現(xiàn)，結(jié)合基部裸子植物類(lèi)群(蘇鐵、銀杏)同樣為XY型性別決定系統(tǒng)等證據(jù)，暗示著裸子植物的共同祖先可能是XY型性別決定系統(tǒng)。
該研究揭示了百歲蘭局域分布群體間基因組的分化式樣和機(jī)制，確定了其性別決定系統(tǒng)和性別連鎖區(qū)域，對(duì)理解裸子植物局域群體遺傳分化和適應(yīng)以及性別決定系統(tǒng)和性染色體進(jìn)化等具有重要意義，也為百歲蘭這一珍稀植物的保護(hù)策略制定奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。
該研究成果于1月13日正式發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Cell Reports上。國(guó)家植物園(南園)博士后孫靜靜為第一作者，汪小全研究員為通訊作者。中國(guó)科學(xué)院武漢植物園王青鋒研究員、萬(wàn)濤研究員，納米比亞Gobabeb研究中心Gillian Maggs-K?lling和Eugene Marais參與了該研究。該研究得到了中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
圖1百歲蘭的采樣地點(diǎn)、生境、形態(tài)和群體遺傳結(jié)構(gòu)
圖2百歲蘭的性別連鎖區(qū)域與性別決定系統(tǒng)
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