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昆明植物所利用薯蓣属植物分析繁育系统演变的遗传效应
作者: 更新时间: 2024-10-14
繁育系统是高等真核生物最重要的生活史特征之一，对有效种群大小、分子进化速率和遗传突变积累等群体遗传参数具有深刻影响。有性繁殖向无性繁殖的转变将对基因组进化产生多重影响。相对于有性生殖物种而言，长期依赖无性繁殖的物种可能伴随着遗传负荷上升、环境适应力下降，并最终导致种群萎缩和灭绝风险上升等后果。尽管上述理论预期在不同层面上有过试验验证，现有的结果依然无法充分解析无性生殖方式在物种间的影响差异，尤其是在不同进化时间尺度上无性生殖的负面遗传效应仍需进一步深入研究。薯蓣属（Dioscorea）植物的繁育系统形式多样，特别是兼具种子（有性）和珠芽（无性）的混合繁殖方式，是探索繁育系统多样化对基因组进化的影响提供理想材料。
中国科学院昆明植物研究所植物性系统功能与演化（周伟）专题组在前期工作（Zeng et al. 2024, New Phytologist;Wang et al. 2021, Molecular Biology & Evolution;Zhong et al. 2019, New Phytologist;Zhou et al. 2017, New Phytologist）的基础上，选用19个薯蓣属物种作为研究对象，涵盖了完全依赖种子进行有性繁殖的物种，主要通过珠芽进行无性繁殖的物种，以及同时利用种子和珠芽进行兼性繁殖的物种，基于转录组测序技术开展不同性系统间DNA序列分化与多态性比较分析（图1）。研究发现，以无性繁殖为主的物种在重组缺失的情况下，穆勒棘轮（Muller’s Ratchet）效应将显著加速近中性和中度有害突变的累积，负选择效力的下降同时导致群体层面和物种层面的遗传负荷上升（图2）。相比之下，兼性繁殖的物种在群体水平上也存在明显的遗传负荷积累，但是，在物种层面却没有检测到无性克隆所蕴含的负面效应，暗示一定配比的有性兼无性繁殖可能是一种较优的繁殖策略。薯蓣属的研究工作表明，无性繁殖产生的负面遗传效应不仅取决于繁殖方式发生及其持续的时间长度，同时也取决于物种对无性繁殖的实际依赖程度，揭示了植物繁育系统变异对基因组进化的复杂影响。
以上研究结果以Effects of mode of reproduction on genetic polymorphism and divergence in wild yams (Dioscoreaceae: Dioscorea)为题发表在Plant Diversity。中国科学院昆明植物研究所博士研究生王鑫和已毕业硕士研究生封庆红为论文的共同第一作者，周伟研究员和王红研究员为论文共同通讯作者。中国科学院昆明植物研究所李德铢研究员、陈高研究员、蔡杰高级工程师、曾志华博士研究生，以及云南大学张志强副教授等参与了本项工作。该研究得到云南省青年人才项目、国家自然科学基金、云南省重点基础研究计划等项目的联合资助。
图1 薯蓣属研究对象系统发育关系及代表物种繁育系统差异（e,f: 有性繁殖物种；g,h: 兼性繁殖物种；i,j: 无性繁殖物种）。
图2 薯蓣属不同繁育系统物种间分子进化特征和遗传负荷比较。