Molecular Ecology | 兰州大学生态创新研究院揭示青藏高原四倍体韭的复杂进化历史和灭...
物种形成、杂交和灭绝是植物进化的主要驱动因子。但是，目前只有前两种情况的时间和性质可以利用分子生物学手段进行检测，而灭绝一般仅只能依靠化石记录来进行推测。化石记录的物种灭绝，很难鉴定到已经灭绝的近缘物种，因为它们之间的形态特征过于相近，留下的少量化石形态痕迹不能进行区分。当灭绝类群是现存杂交物种的祖先时，利用分子生物学手段检测灭绝类群就成为可能，因为现存杂交物种的基因组中包含着来自灭绝类群的遗传物质。
四倍体韭（Allium tetraploideum, 2n = 4x = 32）是青藏高原特有的葱属杯花亚属中已知的五个成员中的唯一一个多倍体物种，利用多种研究手段阐明该物种起源过程中是否存在灭绝物种，是研究青藏高原复杂气候变化过程中，物种多样性变化动态的较好选择。
近日，兰州大学生态学创新研究院生态学领域知名期刊Molecular Ecology在线发表了题为Evolutionary origin of a tetraploid Allium species in the Qinghai-Tibet Plateau的研究论文。该研究利用生态适应性、系统发育基因组学、基因组水平的旁系同源基因分化、简化基因组与多基因位点的群体基因组数据，和荧光原位杂交 (GISH和FISH) 分析，系统阐述了该四倍体韭的适应性和复杂起源，发现该四倍体是一个明显的异源四倍体，其起源十分复杂、同时涉及异源杂交多倍化和四倍体水平的同倍性杂交物种形成两种方式；其祖先包括两个现存的近缘二倍体物种（川甘韭和杯花韭），以及一个灭绝的二倍体和两个灭绝的四倍体祖先物种。
研究人员首先发现，四倍体韭与形态相近的两个近缘二倍体物种比较，在种子重量、气孔大小等方面存在明显的高海拔生态适应优势（图1）。其次，研究人员利用转录组和叶绿体体基因组数据构建了葱属杯花亚属所有物种和葱属其他亚属代表物种的基因组学系统发育树，发现四倍体韭与其中的两个形态较近的二倍体物种亲缘关系较近。然后，利用转录组获得的全基因组旁系同源基因进行分化比较时，发现有3个明显的分化峰，其中一个峰与两个二倍体近缘物种川甘韭和杯花韭的直系同源基因分化峰接近，表明这两个物种参与了四倍体韭的形成；另两个峰的存在表明，可能还有一个二倍体物种参与了该四倍体韭的形成，因而与前述两个二倍体物种分别形成同源基因分化的两个峰；但是，这些峰又与现存其他同属二倍体韭的同源基因分化峰不重叠，因而可能是一个灭绝二倍体物种参与了该四倍体韭的形成。然后，研究人员利用四倍体韭和亚属二倍体韭10个位点的群体遗传学序列数据，进行亲缘关系构建，发现部分基因树，只能由灭绝的二倍体参与四倍体韭的形成进行解释。
图1. 四倍体韭与两个近缘二倍体形态、气孔和种子重量比较等方面存在显著差异（左）；葱属杯花亚属的转录组和叶绿体基因组系统发育（右）。
为了进一步验证杂交-灭绝的四倍体韭起源假设，研究人员进而使用SLAF的简化基因组群体遗传学证据，提取同源变异基因图谱，采用多种模型模拟最有可能的进化途径；发现最符合基因组变异图谱的四倍体韭起源进化模式为：一个灭绝二倍体物种，与现存的两个二倍体形态近缘物种，分别杂交多倍化，产生两个异源四倍体物种，它们进而通过四倍体染色体水平（同倍性）的杂交物种形成，形成现有的四倍体韭；两个四倍体祖先物种也灭绝了。最后，利用原位杂交技术，把该亚属现存四个二倍体物种的全基因组DNA去原位杂交四倍体韭的染色体时，发现四倍体韭的32条染色体中的6条染色体同时被四个二倍体物种杂交，14条染色体被杯花韭和川甘韭杂交，2条被穗花韭杂交，而四倍体韭有10条染色体与现存的二倍体物种基因组总DNA没有杂交信号（图2），进一步支持这部分染色体可能是来源于已经灭绝物种。因此在四倍体韭的起源过程中，有3个物种灭绝了。与目前杯花韭亚属只有5个现存物种相比较，灭绝的物种数量还非常多。该研究表明青藏高原物种多样化历史上还存在大量的灭绝物种，它们对该地区的现有物种多样化也做出了重要贡献。
兰州大学李敏洁青年研究员和博士生郑泽宇为并列第一作者，刘建全教授为通讯作者。该研究得到了中科院先导项目和国家自然科学基金等项目的资助。
论文连接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/mec.16168