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中国山杨群体CDS遗传多样性格局与谱系地理分析

赵丹丹 张建国 惠楠 陈为涛 王兆山

引用本文:
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中国山杨群体CDS遗传多样性格局与谱系地理分析

    通讯作者: 王兆山, w@caf.ac.cn
  • 中图分类号: Q941 + .4;S792.114

Population CDS Genetic Diversity and Phylogeography of Populus davidiana

    Corresponding author: WANG Zhao-shan, w@caf.ac.cn
  • CLC number: Q941 + .4;S792.114

  • 摘要: 目的 基于REF6BRR2a基因,探讨中国山杨不同群体遗传多样性分布格局、迁移路线,以及群体遗传变异与环境变化的关系。 方法 获取REF6BRR2a基因的CDS序列,计算不同CDS序列的分子多样性指数,构建单倍型网络图以及系统发育树。 结果 在西南群体中,REF6基因和BRR2a基因3种中性检验的平均值均为负值,核苷酸多态性均低于北方和中部群体。中国山杨群体系统发育树与单倍型网络图结果显示外类群首先与中国山杨北方群体聚集在一起,西南群体往往聚集在末端,且两种基因的单倍型在北方与中部多样性较为丰富,西南群体中单倍型种类相对单一。 结论 中国山杨从北方迁移到南方,为了适应云贵高原独特的气候环境,位于西南地区的群体经历了强烈的自然选择,发生了局部适应。
  • 图 1  中国山杨个体间REF6BRR2a基因系统发育树

    Figure 1.  Phylogenetic trees of the REF6 and BRR2a between individuals of P. davidiana

    图 2  REF6基因CDS(11135555-11136422)与BRR2a基因CDS(11629168-11632128)单倍型网络图

    Figure 2.  Haplotype networks of the REF6 CDS (11135555-11136422) and BRR2a CDS (11629168-11632128)

    表 1  中国山杨采样点信息及其1970—2000年3—4月平均气温最高及最低值

    Table 1.  The information of sampling points of P. davidiana and the maximum and minimum average temperature values in the sample collection region from March to April, 1970—2000

    采样点
    Sampling point
    样本数量
    Samples number
    采样器官
    Sampling organs
    北纬/(˚)
    Latitude (N)
    东经/(˚)
    Longitude (E)
    最低温~最高温 /(℃)
    Min Temp~Max Temp
    3月 4月
    北方地区
    黑龙江省呼玛县 HM 4 叶片 51.73 126.66 −18.3~−3.1 −4.5~8.2
    黑龙江省黑河市 HH 5 叶片 50.24 127.53 −14.2~−1.4 −2.4~10.1
    黑龙江省双鸭山市 SYS 2 叶片 46.65 131.18 −11.7~0.2 −1.0~11.3
    黑龙江省桦南县 HN 2 叶片 46.25 130.57 −11.3~1.1 −0.6~12.3
    黑龙江省莲花山原始森林公园 LHS 4 叶片 43.89 125.62 −10.0~2.0 −0.1~13.0
    吉林省双山镇 SS 4 叶片 43.70 123.90 −8.4~3.9 1.1~14.5
    吉林省白石山镇 BSS 5 叶片 43.57 127.57 −11.3~1.6 −1.3~12.4
    吉林省金沙镇 JSZ 4 叶片 43.16 126.81 −9.8~2.6 −0.2~13.6
    中部地区
    河北省围场 WC 3 叶片 41.94 117.76 −9.2~3.9 −0.3~13.4
    北京市小龙门国家森林公园 XLM 5 叶片 39.97 115.48 −6.6~6.1 1.6~15.1
    北京市华林中心 HL 6 叶片 39.97 116.08 −1.3~10.8 6.4~19.6
    山西省五台县 WT 3 叶片 39.98 113.58 −6.2~7.4 1.2~16.3
    山西省关帝山国家森林公园 GDS 5 叶片 37.88 111.56 −9.2~2.6 −2.9~10.1
    甘肃省天水市 GS 1 叶片 34.60 105.74 0.7~11.4 6.1~17.8
    河南省官道口镇 HeN 2 叶片 34.31 111.08 0.0~11.1 5.8~17.7
    河南省宝天曼生态旅游区 BTM 2 叶片 33.39 111.98 0.4~11.7 6.6~18.2
    重庆市巫山县 WS 2 叶片 31.09 109.89 7.9~16.6 12.9~22.6
    西南地区
    四川省德昌县大象坪村 DXP 4 叶片 27.53 102.32 1.2~16.2 4.8~19.1
    四川省德昌县角半沟村 JBG 3 叶片 27.43 102.13 7.3~22.5 10.9~25.6
    贵州省威宁县 WN 2 叶片 26.90 104.28 2.8~15.0 6.7~18.4
    云南省丽江市 LJ 9 叶片 26.84 100.31 2.0~15.2 5.2~17.8
    云南省剑川县 JC 2 叶片 26.55 99.91 3.6~16.7 6.8~19.3
    云南省大理市 DL 5 叶片 25.70 100.36 4.6~18.0 7.6~20.5
    云南省昆明市 KM 6 叶片 24.82 102.85 6.3~20.4 10.0~23.2
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    表 2  候选基因在CDS水平的分子多样性指数

    Table 2.  Molecular diversity index of the candidate genes at the CDS level

    群体 Population 基因 Gene CDS N L/bp S π θw Rm Nh D D* F*
    北方 REF6
    (Chr15)
    11 135 555—11 136 422 30 868 7 0.002 7 0.002 0 0 10 0.95 0.55 0.80
    11 137 806—11 137 884 79 0 0.000 0 0.000 0 / 1 / 0.00 0.00
    11 138 254—11 138 321 68 1 0.003 1 0.003 2 0 2 −0.03 0.53 0.42
    11 138 432—11 138 582 151 0 0.000 0 0.000 0 / 1 / 0.00 0.00
    11 139 034—11 139 707 674 7 0.001 6 0.002 2 1 9 −0.74 −0.38 −0.59
    11 140 636—11 141 367 732 16 0.006 6 0.008 2 4 29 −0.64 0.94 0.43
    11 142 487—11 144 538 2 052 43 0.004 0 0.004 5 7 39 −0.36 1.35 0.85
    11 144 758—11 144 891 134 3 0.004 7 0.004 8 0 4 −0.05 0.87 0.69
    Mean 594.75 9.63 0.002 8 0.003 0 2.00 11.88 −0.15 0.48 0.33
    BRR2a
    (Chr15)
    11 624 376—11 627 579 3 204 45 0.002 6 0.003 1 5 23 −0.57 1.41 0.80
    11 627 694—11 628 083 390 7 0.002 8 0.003 9 0 7 −0.71 0.42 0.07
    11 629 168—11 632 128 2 961 35 0.001 9 0.002 5 1 12 −0.80 1.42 0.71
    Mean 2 185.00 29.00 0.002 4 0.003 2 2.00 14.00 −0.69 1.08 0.53
    中部 REF6
    (Chr15)
    11 135 555—11 136 422 29 868 7 0.002 1 0.001 7 0 7 0.57 1.23 1.20
    11 137 806—11 137 884 79 1 0.002 7 0.002 7 0 2 0.00 0.53 0.44
    11 138 254—11 138 321 68 0 0.000 0 0.000 0 / 1 / 0.00 0.00
    11 138 432—11 138 582 151 2 0.001 7 0.002 9 0 3 −0.72 −0.93 −1.01
    11 139 034—11 139 707 674 4 0.001 4 0.001 3 0 5 0.15 0.99 0.85
    11 140 636—11 141 367 732 14 0.006 1 0.009 7 2 26 −1.23 −0.19 −0.68
    11 142 487—11 144 538 2 052 47 0.005 0 0.005 5 8 34 −0.30 −0.28 −0.34
    11 144 758—11 144 891 134 2 0.003 5 0.003 2 0 3 0.17 0.73 0.66
    Mean 594.75 9.63 0.002 8 0.003 4 1.43 10.13 −0.19 0.26 0.14
    BRR2a
    (Chr15)
    11 624 376—11 627 579 3204 57 0.004 3 0.004 1 6 32 0.19 0.19 0.22
    11 627 694—11 628 083 390 4 0.001 6 0.002 2 0 5 −0.62 −0.14 −0.34
    11 629 168—11 632 128 2 961 33 0.002 9 0.002 4 2 15 0.66 −0.19 0.14
    Mean 2 185.00 31.33 0.002 9 0.002 9 2.67 17.33 0.08 −0.05 0.01
    西南 REF6
    (Chr15)
    11 135 555—11 136 422 31 868 2 0.000 1 0.000 5 0 3 −1.44 −2.63* −2.64*
    11 137 806—11 137 884 79 0 0.000 0 0.000 0 / 1 / 0.00 0.00
    11 138 254—11 138 321 68 0 0.000 0 0.000 0 / 1 / 0.00 0.00
    11 138 432—11 138 582 151 1 0.000 6 0.001 4 0 2 −0.71 0.53 0.19
    11 139 034—11 139 707 674 0 0.000 0 0.000 0 / 1 / 0.00 0.00
    11 140 636—11 141 367 732 8 0.011 7 0.013 4 4 16 −0.42 1.61* 1.01
    11 142 487—11 144 538 2 052 9 0.000 6 0.000 9 1 11 −1.07 −2.10 −2.08
    11 144 758—11 144 891 134 1 0.000 5 0.001 6 0 2 −0.89 0.53 0.13
    Mean 594.75 2.63 0.001 7 0.002 2 1.00 4.63 −0.91 −0.26 −0.42
    BRR2a
    (Chr15)
    11 624 376—11 627 579 3 204 39 0.000 8 0.002 6 0 6 −2.23** −0.13 −1.09
    11 627 694—11 628 083 390 1 0.000 1 0.000 6 0 2 −1.08 −1.90 −1.93
    11 629 168—11 632 128 2 961 37 0.000 9 0.002 7 1 8 −2.18** −1.21 −1.88
    Mean 2 185.00 25.67 0.000 6 0.002 0 0.33 5.33 −1.83 −1.08 −1.63
    注:N表示每个区域的样本个数;L表示每个位点的长度;S表示分离位点的数量;π,θw表示核苷酸多态性;Rm最小重组事件的数量;Nh表示单倍型的数量;D表示Tajima’s D 检验;D*表示Fu and Li’s D检验;F*表示Fu and Li’s F检验;*p < 0.05; ** p < 0.01
      Notes: N: number of samples from each region; L: length of each locus; S: number of segregating sites; π and θw: nucleotide diversity; Rm: minimum number of recombination events; Nh: number of haplotypes; D: Tajima’s D test statistic; D*: Fu and Li’s D test statistic; F*: Fu and Li’s F test statistic; *p < 0.05; ** p < 0.01
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-10
  • 录用日期:  2023-06-22
  • 网络出版日期:  2023-07-14
  • 刊出日期:  2023-10-20

中国山杨群体CDS遗传多样性格局与谱系地理分析

    通讯作者: 王兆山, w@caf.ac.cn
  • 1. 中国林业科学研究院林业研究所,国家林业局森林培育重点实验室,北京 100091
  • 2. 莒南县自然保护地管理服务中心,山东 莒南 276600

摘要:  目的 基于REF6BRR2a基因,探讨中国山杨不同群体遗传多样性分布格局、迁移路线,以及群体遗传变异与环境变化的关系。 方法 获取REF6BRR2a基因的CDS序列,计算不同CDS序列的分子多样性指数,构建单倍型网络图以及系统发育树。 结果 在西南群体中,REF6基因和BRR2a基因3种中性检验的平均值均为负值,核苷酸多态性均低于北方和中部群体。中国山杨群体系统发育树与单倍型网络图结果显示外类群首先与中国山杨北方群体聚集在一起,西南群体往往聚集在末端,且两种基因的单倍型在北方与中部多样性较为丰富,西南群体中单倍型种类相对单一。 结论 中国山杨从北方迁移到南方,为了适应云贵高原独特的气候环境,位于西南地区的群体经历了强烈的自然选择,发生了局部适应。

English Abstract

  • 杨属(Populus)物种是北半球十分重要的林木树种及生态树种,中国山杨(Populus davidiana Dode)是白杨派(Sect. Populus)的代表性物种之一,在我国山地森林中属于非常重要的建群树种。该树种自我国东北地区至西南高山山区连续分布[1],西南地区以亚热带热带季风气候为主,冬季温暖少雨,夏季高温多雨,而北方-中部地区以温带季风气候为主,冬天寒冷干燥,夏天炎热多雨,不同的地理环境条件对中国山杨不同地区群体内遗传多样性的影响是巨大的。目前从表型性状到分子水平,中国山杨物种内部不同自然群体之间已开展了遗传多样性和遗传结构等谱系地理分析[2-5],从局部以及整体分布区域的角度揭示了中国山杨的遗传多样性以及遗传分化水平,然而针对中国山杨生长因子的分析鲜有研究。植物开花在植物生长甚至物种进化中处于核心地位,从植物开花基因的角度对中国山杨群体进行谱系地理分析,例如中国山杨遗传多样性及迁移路线,有助于为林木分子育种提供新的候选开花基因。

    目前,学者们通过对植物成花调控关键因子的研究已总结出6条调控途径,即春化途径、自主途径、年龄途径、光周期途径、温度途径和赤霉素(GA)途径,近年研究还发现2条成花调控新途径,即脱落酸(ABA)途径和油菜素甾醇(BR)途径,这8条途径共同构成了复杂的成花调控分子网络,其中,FLC基因作为成花调控的关键因子,涉及多条途径[6]FLC基因是开花的主要抑制因子,正常情况下,植物通过环境低温抑制FLC的表达[7],促进开花。以往研究发现,REF6基因可以通过抑制FLC的表达,同样可以促进植物开花[8],突变型的BRR2a基因也会导致FLC的转录水平大大降低[9]。因此在低温条件不足或低温时长不够的情况下REF6BRR2a基因可以代替春化作用抑制FLC基因,从而促进植物适时开花。

    本研究利用不同分布区的90个中国山杨样本的REF6BRR2a基因的全长CDS序列,从CDS水平进行遗传多态性、中性检验、单倍型网络、系统发育分析,评估中国山杨不同群体内的遗传多样性,探讨中国山杨在进化过程中的迁移路线,以及群体遗传变异与环境变化的关系,解析相关变异的适生和进化意义,为后续研究中国山杨控制开花基因工作提供科学理论依据。

    • 根据中国山杨24个采样点经纬度信息,在worldClim网站下载1970—2000年气候数据( http://www.worldclim.org/),通过DIVA-GIS(v7.3)软件提取1970—2000年间3—4月份北方样本、中部样本和西南地区样本点所对应经纬度的平均最高温和最低温(表1)。

      表 1  中国山杨采样点信息及其1970—2000年3—4月平均气温最高及最低值

      Table 1.  The information of sampling points of P. davidiana and the maximum and minimum average temperature values in the sample collection region from March to April, 1970—2000

      采样点
      Sampling point
      样本数量
      Samples number
      采样器官
      Sampling organs
      北纬/(˚)
      Latitude (N)
      东经/(˚)
      Longitude (E)
      最低温~最高温 /(℃)
      Min Temp~Max Temp
      3月 4月
      北方地区
      黑龙江省呼玛县 HM 4 叶片 51.73 126.66 −18.3~−3.1 −4.5~8.2
      黑龙江省黑河市 HH 5 叶片 50.24 127.53 −14.2~−1.4 −2.4~10.1
      黑龙江省双鸭山市 SYS 2 叶片 46.65 131.18 −11.7~0.2 −1.0~11.3
      黑龙江省桦南县 HN 2 叶片 46.25 130.57 −11.3~1.1 −0.6~12.3
      黑龙江省莲花山原始森林公园 LHS 4 叶片 43.89 125.62 −10.0~2.0 −0.1~13.0
      吉林省双山镇 SS 4 叶片 43.70 123.90 −8.4~3.9 1.1~14.5
      吉林省白石山镇 BSS 5 叶片 43.57 127.57 −11.3~1.6 −1.3~12.4
      吉林省金沙镇 JSZ 4 叶片 43.16 126.81 −9.8~2.6 −0.2~13.6
      中部地区
      河北省围场 WC 3 叶片 41.94 117.76 −9.2~3.9 −0.3~13.4
      北京市小龙门国家森林公园 XLM 5 叶片 39.97 115.48 −6.6~6.1 1.6~15.1
      北京市华林中心 HL 6 叶片 39.97 116.08 −1.3~10.8 6.4~19.6
      山西省五台县 WT 3 叶片 39.98 113.58 −6.2~7.4 1.2~16.3
      山西省关帝山国家森林公园 GDS 5 叶片 37.88 111.56 −9.2~2.6 −2.9~10.1
      甘肃省天水市 GS 1 叶片 34.60 105.74 0.7~11.4 6.1~17.8
      河南省官道口镇 HeN 2 叶片 34.31 111.08 0.0~11.1 5.8~17.7
      河南省宝天曼生态旅游区 BTM 2 叶片 33.39 111.98 0.4~11.7 6.6~18.2
      重庆市巫山县 WS 2 叶片 31.09 109.89 7.9~16.6 12.9~22.6
      西南地区
      四川省德昌县大象坪村 DXP 4 叶片 27.53 102.32 1.2~16.2 4.8~19.1
      四川省德昌县角半沟村 JBG 3 叶片 27.43 102.13 7.3~22.5 10.9~25.6
      贵州省威宁县 WN 2 叶片 26.90 104.28 2.8~15.0 6.7~18.4
      云南省丽江市 LJ 9 叶片 26.84 100.31 2.0~15.2 5.2~17.8
      云南省剑川县 JC 2 叶片 26.55 99.91 3.6~16.7 6.8~19.3
      云南省大理市 DL 5 叶片 25.70 100.36 4.6~18.0 7.6~20.5
      云南省昆明市 KM 6 叶片 24.82 102.85 6.3~20.4 10.0~23.2
    • 在NCBI网站( https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)获取拟南芥REF6BRR2a蛋白质序列(AT1G20960.1和AT3G48430.1),使用blastp软件对毛果杨(Populus trichocarpa Torr. & Gray)蛋白质序列(Ptrichocarpa_444_v3.1.protein.fa)进行比对。分别选取比对结果最佳的毛果杨基因号(Potri.015G095500.1和Potri.015G089000.2,附件1),在Ptrichocarpa_444_v3.1.gene.gff3文件 [10] 中查找两个基因的染色体位置及相对应的CDS区间。基于本研究组另一项研究的中间产物,即中国山杨27X重测序数据,通过使用bwa(v0.7.17)软件[11] 将其比对到毛果杨参考基因组(Ptrichocarpa_444_v3.0.fa)[10] 获得bam文件,使用samtools(v1.8)软件[12]和bcftools软件获取每个个体基因组全长序列文件(.fa),基于Ptrichocarpa_444_v3.1.gene.gff3文件[10]提供的CDS的位置信息,使用gffread软件从每个中国山杨个体序列文件(.fa)中提取两个基因的CDS序列,最后对所有个体相同的CDS合并在同一个文件, 用于后续分析。1)使用DnaSP(v6.12.03)软件[13]对每个CDS序列的合并文件进行Phase处理后,计算不同CDS序列每个位点的分子多样性指数,包括多态核苷酸分离位点数目(S)、序列间每碱基平均差异值(π)、多态核苷酸位点数目S的Watterson’s θw参数[14]、重组事件(Rm)、单倍型数量(Nh)、3种中性检验Tajima’s D[15]、Fu and Li’s D、Fu and Li’s F [16],从CDS水平检验群体是否处于中性状态,及群体在适应环境的过程中是否受到自然选择作用;2)以毛果杨为外类群,在MEGA5(v5.05)软件采用邻域连接法,对每个基因的每个CDS的所有个体分别构建DNA单倍型的系统进化树,结合不同群体的地理分布,分析不同群体之间的进化关系及顺序;3)为了确保足够的变异位点并且使单倍型网络图不过于复杂,在每个基因中选择一个具有适当变异位点数量的CDS(REF6基因第1个CDS,BRR2a基因第3个CDS),在Network(v10.2)软件采用中间连接法构建了单倍型网络图,并根据样本分布的地理位置、样本数量以及不同单倍型数量,在中国地图上绘制每个采样点包含的单倍型比例。

    • 将拟南芥REF6BRR2a基因AT号对应的蛋白质序列与毛果杨蛋白质序列进行比对,REF6获得了37个基因号,相似度最高的为Potri.015G089000.1和Potri.015G089000.2,均为62.629%(详细数据未列出)。Ptrichocarpa_444_v3.1.gene.gff3文件[10]显示Potri.015G089000.2与Potri.015G089000.1具有相同的6个CDS(表2REF6基因前6个CDS),Potri.015G089000.1剩余1个CDS为11 142 487—11 144 891,Potri.015G089000.2剩余2个CDS为11 142 487—11 144 538和11 144 758—11 144 891,本研究选用Potri.015G089000.2(共8个CDS)进行后续分析。BRR2a获得了25个基因号,相似度最高的为Potri.015G095500.1(81.810%)(详细数据未列出),Ptrichocarpa_444_v3.1.gene.gff3文件[10]显示存在3个CDS。不同CDS序列的分子多样性指数如表2所示。REF6基因位于第15号染色体,8个CDS平均序列长度为594.75 bp;BRR2a基因同样位于第15号染色体,3个CDS平均2 185.00 bp。在北方与中部群体中,两个基因CDS水平的Tajima’s D,Fu and Li’s D和Fu and Li’s F检验平均值分别为−0.69~0.08、−0.05~1.08和0.01~0.53;而西南群体两个基因3种中性检验的平均值均呈现显著的负值(REF6基因存在2个CDS显示p < 0.05, BRR2a基因存在2个CDS显示p < 0.01),分别为−0.91和−1.83、−0.26和−1.08、−0.42和−1.63,显著低于北方与中部群体。核苷酸多态性显示西南群体均值( REF6BRR2a基因π值分别为0.001 7、0.000 6,θw值分别为0.002 2、0.002 0)均低于北方和中部群体均值,重组率和单倍型也表现出同样的趋势。

      表 2  候选基因在CDS水平的分子多样性指数

      Table 2.  Molecular diversity index of the candidate genes at the CDS level

      群体 Population 基因 Gene CDS N L/bp S π θw Rm Nh D D* F*
      北方 REF6
      (Chr15)
      11 135 555—11 136 422 30 868 7 0.002 7 0.002 0 0 10 0.95 0.55 0.80
      11 137 806—11 137 884 79 0 0.000 0 0.000 0 / 1 / 0.00 0.00
      11 138 254—11 138 321 68 1 0.003 1 0.003 2 0 2 −0.03 0.53 0.42
      11 138 432—11 138 582 151 0 0.000 0 0.000 0 / 1 / 0.00 0.00
      11 139 034—11 139 707 674 7 0.001 6 0.002 2 1 9 −0.74 −0.38 −0.59
      11 140 636—11 141 367 732 16 0.006 6 0.008 2 4 29 −0.64 0.94 0.43
      11 142 487—11 144 538 2 052 43 0.004 0 0.004 5 7 39 −0.36 1.35 0.85
      11 144 758—11 144 891 134 3 0.004 7 0.004 8 0 4 −0.05 0.87 0.69
      Mean 594.75 9.63 0.002 8 0.003 0 2.00 11.88 −0.15 0.48 0.33
      BRR2a
      (Chr15)
      11 624 376—11 627 579 3 204 45 0.002 6 0.003 1 5 23 −0.57 1.41 0.80
      11 627 694—11 628 083 390 7 0.002 8 0.003 9 0 7 −0.71 0.42 0.07
      11 629 168—11 632 128 2 961 35 0.001 9 0.002 5 1 12 −0.80 1.42 0.71
      Mean 2 185.00 29.00 0.002 4 0.003 2 2.00 14.00 −0.69 1.08 0.53
      中部 REF6
      (Chr15)
      11 135 555—11 136 422 29 868 7 0.002 1 0.001 7 0 7 0.57 1.23 1.20
      11 137 806—11 137 884 79 1 0.002 7 0.002 7 0 2 0.00 0.53 0.44
      11 138 254—11 138 321 68 0 0.000 0 0.000 0 / 1 / 0.00 0.00
      11 138 432—11 138 582 151 2 0.001 7 0.002 9 0 3 −0.72 −0.93 −1.01
      11 139 034—11 139 707 674 4 0.001 4 0.001 3 0 5 0.15 0.99 0.85
      11 140 636—11 141 367 732 14 0.006 1 0.009 7 2 26 −1.23 −0.19 −0.68
      11 142 487—11 144 538 2 052 47 0.005 0 0.005 5 8 34 −0.30 −0.28 −0.34
      11 144 758—11 144 891 134 2 0.003 5 0.003 2 0 3 0.17 0.73 0.66
      Mean 594.75 9.63 0.002 8 0.003 4 1.43 10.13 −0.19 0.26 0.14
      BRR2a
      (Chr15)
      11 624 376—11 627 579 3204 57 0.004 3 0.004 1 6 32 0.19 0.19 0.22
      11 627 694—11 628 083 390 4 0.001 6 0.002 2 0 5 −0.62 −0.14 −0.34
      11 629 168—11 632 128 2 961 33 0.002 9 0.002 4 2 15 0.66 −0.19 0.14
      Mean 2 185.00 31.33 0.002 9 0.002 9 2.67 17.33 0.08 −0.05 0.01
      西南 REF6
      (Chr15)
      11 135 555—11 136 422 31 868 2 0.000 1 0.000 5 0 3 −1.44 −2.63* −2.64*
      11 137 806—11 137 884 79 0 0.000 0 0.000 0 / 1 / 0.00 0.00
      11 138 254—11 138 321 68 0 0.000 0 0.000 0 / 1 / 0.00 0.00
      11 138 432—11 138 582 151 1 0.000 6 0.001 4 0 2 −0.71 0.53 0.19
      11 139 034—11 139 707 674 0 0.000 0 0.000 0 / 1 / 0.00 0.00
      11 140 636—11 141 367 732 8 0.011 7 0.013 4 4 16 −0.42 1.61* 1.01
      11 142 487—11 144 538 2 052 9 0.000 6 0.000 9 1 11 −1.07 −2.10 −2.08
      11 144 758—11 144 891 134 1 0.000 5 0.001 6 0 2 −0.89 0.53 0.13
      Mean 594.75 2.63 0.001 7 0.002 2 1.00 4.63 −0.91 −0.26 −0.42
      BRR2a
      (Chr15)
      11 624 376—11 627 579 3 204 39 0.000 8 0.002 6 0 6 −2.23** −0.13 −1.09
      11 627 694—11 628 083 390 1 0.000 1 0.000 6 0 2 −1.08 −1.90 −1.93
      11 629 168—11 632 128 2 961 37 0.000 9 0.002 7 1 8 −2.18** −1.21 −1.88
      Mean 2 185.00 25.67 0.000 6 0.002 0 0.33 5.33 −1.83 −1.08 −1.63
      注:N表示每个区域的样本个数;L表示每个位点的长度;S表示分离位点的数量;π,θw表示核苷酸多态性;Rm最小重组事件的数量;Nh表示单倍型的数量;D表示Tajima’s D 检验;D*表示Fu and Li’s D检验;F*表示Fu and Li’s F检验;*p < 0.05; ** p < 0.01
        Notes: N: number of samples from each region; L: length of each locus; S: number of segregating sites; π and θw: nucleotide diversity; Rm: minimum number of recombination events; Nh: number of haplotypes; D: Tajima’s D test statistic; D*: Fu and Li’s D test statistic; F*: Fu and Li’s F test statistic; *p < 0.05; ** p < 0.01
    • 以毛果杨为外类群,针对90个个体,对REF6的8个CDS和BRR2a的3个CDS构建了系统发育树,从而评估每个CDS的聚类程度和分支顺序。如图1所示,不同的CDS序列显示出不同的树状拓扑结构,可以分为3类。变异位点较多的系统发育树显示一部分北方和中部地区的个体均匀分布并与外类群相连,西南地区的个体主要聚集在末端,如图1中(A1)、(A6)和(A7),说明西南群体的CDS存在进一步的分化;第二类为西南地区的个体与北方-中部地区的个体分为两大枝,与外类群距离均等,如(B1)和(B3),或来自3个地区的个体均随机分布,如(A4)、(A5)和(B2),说明3个群体的CDS随机分布,没有明显分化。第三类为变异位点少于5且无明确规律的CDS。因此与北方和中部群体相比,西南群体存在较大分化,但3个群体仍然共享基因库。

      图  1  中国山杨个体间REF6BRR2a基因系统发育树

      Figure 1.  Phylogenetic trees of the REF6 and BRR2a between individuals of P. davidiana

    • 本研究选择REF6基因第1个CDS(Chr15:11 135 555—11 136 422)和BRR2a基因第3个CDS(Chr15:11 629 168—11 632 128)分别构建了单倍型网络图,并在中国地图上绘制每个采样点包含的单倍型比例。对于REF6基因,在其CDS序列(11 135 555—11 136 422)中发现了15个单倍型(图2A),3种常见单倍型(频率>10%)为:H8(43.33%)、H11(15.56%)、H2(13.89%)。其中,北方群体存在单倍型H1~H10共10种,H8(21.67%)、H2(18.33%)、H3(16.67%)和H5(13.33%)为主要的单倍型。中部群体存在单倍型H2、H3、H5、H8、H9、H11、H12,其中H11(48.28%)、H2(24.14%)和H8(8.62%)占比较高。在西南群体中,H8(96.77%)为最常见的单倍型,H13和H14为西南群体特有的单倍型,仅各占1.61%。3个群体共有的H8单倍型在北方与中部群体占比较小,在西南群体占比非常大。在BRR2a基因的CDS序列(11 629 168—11 632 128)中发现了28个单倍型(图2B),H22(27.78%)和H1(22.22%)是3个群体中最常见的两种单倍型。其中,北方群体存在单倍型H1~H12共12种,H1(31.67%)、H6(20.00%)和H5(10.00%)为主要的单倍型。中部群体存在单倍型H1、H2、H3、H8、H11~H21共15种,其中H1(36.21%)和H3(24.14%)较为常见。在西南群体中,存在H3、H12、H22~H27共8种单倍型,H22(80.65%)为最常见的单倍型,H22~H27均为西南群体特有的单倍型。两种基因的单倍型在北方与中部多样性均较为丰富,西南群体中单倍型种类相对单一,因此在西南地区的百分比相对较大。同时在西南群体中占比最大的H8单倍型(REF6基因)和H22单倍型(BRR2a基因)均分别与其外类群单倍型连接甚远。

      图  2  REF6基因CDS(11135555-11136422)与BRR2a基因CDS(11629168-11632128)单倍型网络图

      Figure 2.  Haplotype networks of the REF6 CDS (11135555-11136422) and BRR2a CDS (11629168-11632128)

    • 在过去的三百万年间,气候振荡已经严重地影响了北半球许多动植物物种的分布和遗传结构[17-18]。目前已经有多项系统地理学的研究发现,中国东北部存在寒温带落叶乔木冰川避难所[19-20]。Hewitt则指出另一种可能性,北方物种在冰期期间南迁,待冰期结束再回迁至高纬度地区;同时有一些物种的南方居群因无法适应南方高温等因素而灭绝[21]。中国山杨在我国东北地区至西南高山山区连续分布,东北地区的群体可能是从南方迁移而来,也可能是东北地区的避难所帮助中国山杨在北方生存下来,冰期结束后逐渐向南迁移。基于BRR2aREF6基因,本系统发育树研究结果(图1,A1,A6,A7)显示外类群首先与北方-中部地区的中国山杨连接,西南群体往往倾向于聚集在末端,从CDS水平支持了中国山杨从北方向南方迁移的结论[4]。同时,西南地区群体的核苷酸多态性指数π与θw表2)均低于北方和中部群体,单倍型网络图(图2)也显示外类群先与北方的单倍型相连,随后与南方的单倍型相连,且北方和中部群体单倍型种类丰富,而西南群体相对来说种类单一,以上结果也均支持中国山杨从北向南迁移的观点[4]

    • 中国山杨耐寒冷、耐干旱瘠薄土壤,广泛分布于东亚地区,分布区纬度跨度巨大,从寒温带延伸到亚热带,气候差异很大。东亚西南部的中国山杨群体主要分布在中国四川省南部、贵州省西部和云南省,属于南亚热带地区,而中国北方-中部地区的山杨群体主要分布在北亚热带、暖温带、温带和寒温带地区,因此西南地区的气候特征,如海拔、温度、湿度、光照、积温等,与北方地区的气候特征存在明显差异,不同的地理环境条件对中国山杨个体的生长及种群间的遗传结构存在一定的影响。另一方面,中国山杨在我国的花期为3—4月[22-23],西南地区与北方地区花期气温差异巨大(表1)。如果不同地区的中国山杨群体在同一温度下开花,会造成北方花期太迟或者南方花期太早,导致其他气候因子不匹配。因此一些学者认为,由于云贵高原气候的独特性,分布在西南地区的中国山杨分化严重[4, 24]。本研究显示在温度较低的环境(北方和中部地区)单倍型丰富,各个单倍型比率相对较低,温度较高的环境(西南地区)单倍型比率增高,例如西南群体中REF6基因H8单倍型比例高达96.77%,BRR2a基因H22单倍型比例高达80.65%,因此比例高的单倍型可能在适应西南地区的过程中受到了正选择作用。同时REF6BRR2a基因CDS序列的各项遗传多样性指数显示西南群体均明显低于北方与中部群体,Tajima’s D,Fu and Li’s D和Fu and Li’s F中性检验指标在西南群体中均显著偏离中性模型,呈显著负值(表2),因此推测这两个基因在西南群体分化过程中受到了强烈的自然选择,与之前学者的研究结果一致[2, 4-5]。这可能是因为在环境的选择压力下,中国山杨群体为了可以长期适应西南地区的环境特点,发生了局部适应。

    • 本研究REF6BRR2a基因系统发育树与单倍型网络图显示外类群首先与中国山杨北方-中部群体连接,西南群体往往聚集在末端,西南群体遗传多样性水平低于北方与中部群体,支持了中国山杨从北方向南迁移的结论。REF6BRR2a基因在西南地区均表现出正选择的特征,推测西南地区的山杨群体在适应云贵高原独特的气候环境过程中发生了局部适应。未来需要更多的工作从基因克隆和表达分析等多个角度对控制植物开花的相关基因展开研究。

参考文献 (24)

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