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极小种群野生植物保护与利用团队在华盖木保护基因组学及遗传拯救研究方面取得新进展
作者: 丽江站 更新时间: 2024-01-14
木兰科（Magnoliaceae）华盖木（Manglietiastrum sinicum）（其他常用学名包括Magnolia sinica 和Pachylarnax sinica）是仅分布云南东南部地区的典型极小种群野生植物，也是国家Ⅰ级重点保护野生植物和全球广为关注的极度濒危物种。近30年来，昆明植物所极小种群野生植物保护与利用团队，较系统地开展了华盖木种群现状调查评估、种群生物学、繁殖生物学、保护遗传学、种子生态学、土壤微生物等研究，同时开展了种质资源离体保存，以及人工繁殖基础上迁地保护、种群增强、回归自然与种群重建等综合保护工作。为进一步揭示华盖木“极小种群”的形成、维持与动态变化机制，为优化现有保护措施提供理论指导，研究人员在对华盖木全基因组解析基础上，对涵盖所有种群及其他相关物种的个体开展了重测序，从全基因组、遗传分化、遗传多样性、基因流、种群历史、有害突变和近交等方面开展了深入研究。
该研究首次获得华盖木染色体水平的高质量全基因组，基因组大小1.84 Gb，contig N50为45 Mb，scaffold N50 为92 Mb，注释了43, 473个蛋白编码基因。通过与其他物种进行系统发育研究表明，木兰目与真双子叶植物和金鱼藻目形成姊妹分支，而单子叶植物是其他核心被子植物的姊妹分支，木兰目和樟目大约在122 Mya（百万年以前）发生分化，而木兰亚科和鹅掌楸亚科发约在23.4 Mya发生了分化。共线性（collinearity）分析显示，与其他类物种分化后，木兰科（华盖木和鹅掌揪）经历1次四倍化，樟科（牛樟）经历2次四倍化，胡椒经历3次四倍化，木兰科和樟科共享一次四倍化。
为进一步解析华盖木濒危的分子机制，研究人员对华盖木进行了重测序，种群结构分析显示K=1时，CV的误差最小，和其它相关物种相比，华盖木呈现遗传多样性高（即θw值为0.01416，θπ值为0.01494）、遗传分化低（Fst值为0.133）的特点。杂合性分析显示华盖木的平均杂合率为(1.29 ± 0.07) %，最低值为马鞍底种群，最高值为大栗树种群，而杂合率最低和最高的个体均出现在新寨箐种群。为推断历史气候事件、人类活动等因素与华盖木极小种群的关联，使用Stairway plot2、PSMC等软件分析群体历史。结果表明，历史上华盖木经历三次严重遗传瓶颈，与冰期-间冰期作用、中更新世过渡等地质历史事件一致。最后一次遗传瓶颈之后，华盖木的有效种群大小有所恢复，其Ne值为10.9，但种群调查大小仅几十株，这应该与原生境破坏、林下种植等人类活动有关。此外，研究人员对华盖木的遗传负荷与基因组近亲繁殖系数进行分析表明，华盖木衍生的纯合子有害等位基因(HoDA)的平均值为249（190-298），最低值是篾厂种群，最高值是新寨箐种群，而马鞍底种群有着最高比例的独有的HoDA。华盖木的杂合有害等位基因（HeDA）平均值为2607，最高值为XZQ，最低值为MAD。大约32.35%的有害突变的衍生等位基因频率（DAF<0.05），并且是杂合的，只有约7.1%的有害突变是纯合的（DAF>0.05）。同时种群水平的连续纯合频率（FROH）最高的是马鞍底种群，最低的是大栗树种群。
综上所述，近期强烈的人类干扰、反复的遗传瓶颈、大量的有害突变积累是华盖木“极小种群”形成的主因。据此，研究团队提出对华盖木保护措施优化时，要注意遗传管理单元（MU）的划分、潜在的未来近亲繁殖衰退，未来还应该设计更多的不同种群/个体的人工异交策略，以减少近亲繁殖造成的遗传多样性损失。本研究从保护基因组学研究视角为极小种群野生植物的科学保护提供借鉴。
该研究以The chromosome-scale genome of Magnolia sinica (Magnoliaceae) provides insights into the conservation of plant species with extremely small populations (PSESP)为题作为论文（Research）发表在国际期刊GigaScience（https://doi.org/10.1093/gigascience/giad110）。中国科学院昆明植物研究所副研究员蔡磊、助理研究员刘德团为该论文的共同第一作者，马永鹏研究员、孙卫邦研究员为共同通讯作者。本研究工作得到了国家重点研发计划科技基础资源调查专项（2017FY100100）、云南省基础研究计划项目（202101AT070173）、国家自然科学基金项目（32101407）、云南省联合基金重点项目（U1302262）的支持。
图1 华盖木生境以及形态特征
图2 华盖木得基因组特征与基因组进化
图3 华盖木的野外分布图、种群结构、种群历史以及种群间共享和独特的有害突变分布的维恩图
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