植物叶绿体基因组|基于叶绿体DNA的栽培和野生麦冬的系统地理学研究：探索起源和可持续

植物叶绿体基因组 基于叶绿体DNA的栽培和野生麦冬的系统地理学研究：探索起源和可持续栽培

Phylogeography of cultivated and wild ophiopogon japonicus based on chloroplast DNA: exploration of the origin and sustainable cultivation

时间：2023 杂志：BMC Plant Biology IF：4.3 生物二区 植物科学 Q1

背景导读

麦冬（ophiopogon japonicus），主要种植在中国的四川（CMD）和浙江（ZMD）省，具有很长的栽培历史。在长期的驯化过程中，栽培种麦冬的遗传多样性大幅下降，这将影响该物种的种群连续性和进化潜力。因此，有必要弄清栽培的麦冬的系统地理学，为利用和保护麦冬的遗传资源建立理论基础。本研究结果根据4个叶绿体DNA序列（atpB-rbcL、rpl16、psbA-trnH和rpl20-5'rps12）分析了来自23个采样点的266株麦冬的遗传多样性和种群结构，以确定驯化对栽培品种遗传多样性的影响并确定其地理来源。结果表明，在人类活动的影响下，栽培种麦冬经历了遗传多样性的急剧丧失。CMD和ZMD之间的遗传分化可能受到奠基者效应和强烈的植物性状人工选择的影响。

研究目的

1、评估人工选择下的栽培种群和野生种群的遗传多样性，并确定哪些野生种群可以引入以改进栽培种；

2、研究四川省和浙江省的麦冬栽培种群之间的遗传差异；

3、揭示麦冬栽培种群的地理起源和祖先种群。

研究方法

1、研究对象

从中国不同分布区的23个地点共获得266个麦冬植物叶片样本进行cpDNA分析。采集叶子的植物相互之间相距20米以上，以避免克隆（基因型）的重叠。

图 麦冬样本采样点

2、研究方法

通过atpB-rbcL、rpl16、psbA-trnH和rpl20-5'rps12基因引物进行PCR扩增及测序。开展系统进化分析、群体遗传多样性和遗传分化分析、群体历史、生物地理学分布以及生态位模型分析。

主要结果

1、麦冬遗传多样性及分化

经过初步的变异筛选，我们选择了一个cpDNA内含子（rpl16）和三个cpDNA间隔子（atpB-rbcL、psbA-trnH和rpl20-5'rps12）来分析来自不同地理位置的麦冬的遗传变异。根据23个种群的266个个体，atpB-rbcL、rpl16、psbA-trnH和rpl20-5'rps12区域的核苷酸序列长度分别为698 bp、523 bp、479和708 bp，合并的cpDNA序列长度为2408 bp。从10个栽培种群和13个野生种群中共检测到107个多态位点和19种单倍型。cpDNA序列的变异率为4.44%。

通过麦冬的单倍型数量（H）、单倍型多样性（Hd）和核苷酸多样性（π）来估计麦冬的遗传多样性（表1）。从23个种群中获得的19个单倍型，包括4个来自栽培种的单倍型和15个来自野生种的单倍型（图1）。麦冬的Hd和π在物种水平上分别为0.74500和0.00712。CMD的Hd和π（0.01900；0.00006）低于ZMD （ 0.06900；0.00049）和野生种群（0.76200；0.00905）。此外，permutcpSSR的结果显示，所有13个野生种群的遗传多样性远远高于两个栽培品种。

表1 麦冬cpDNA遗传多样性分析

图1 麦冬中检测到的19种单倍型（H1-H9）的地理分布图

根据AMOVA分析（表2），栽培种麦冬的遗传分化主要发生在两个栽培品种之间（种群间95.51%，CMD vs. ZMD98.37%），而野生种群体麦冬变异主要发生在种群之间（70.09%）。不同群体的比较显示CMD和ZMD之间存在巨大的遗传变异（98.37%）。这些结果表明，CMD和ZMD之间存在着高度的遗传分化。更重要的是，CMD和野生组之间的遗传变异（40.30%）远远高于ZMD和野生组之间（8.64%），因为ZMD和野生组之间的基因流 （Nm=1.490）可以抵御ZMD和野生组之间种群遗传漂移引起的遗传分化（FST=0.72934），而CMD和野生组之间的基因流（Nm= 0.830）不足以抵御CMD和野生组之间迁移或遗传漂移引起的遗传分化（FST=0.82566）。

表2 基于cpDNA序列的分子变异分析（AMOVA）

2、种群结构与系统地理学分析

置换检验表明，NST明显高于GST（NST /GST = 0.920/0.753，P<0.01） ，说明地理上接近的单倍型分布在同一或连续的种群中。群体间的遗传分化随着地理距离的增加而增加，这表明麦冬cpDNA的单倍型群体存在着明显的系统地理结构。Mantel检验也支持这样的结果，即麦冬种群之间的遗传距离与它们的地理距离明显正相关（P=0.05，R2=0.111） 。随着地理距离的增加，麦冬的遗传距离也呈上升趋势（图2）。结合麦冬的种群间的低基因流（Nm=0.17），该物种显示出与距离隔离的有限基因流模式。

图2 麦冬种群间遗传距离和地理距离的Mantel检验

以O. amblyphyllus Wang等（H20）为外群，在贝叶斯推断下评估了19种cpDNA单倍型之间的系统发育关系。结果显示，来自栽培种群的单倍型（H1、H2、H3和H4）出现在不同的支系中，但与外群相比仍归为一组（图3）。CMD和ZMD的遗传差异不足以区分两个产区的栽培品种。此外，CMD和ZMD与四川的野生种群的关系比浙江的更密切。TCS网络和物种分布模型的结果表明，位于四川省的野生种群TQ可以作为栽培的O.japonicus的祖先，这一点得到了RASP分析的支持。

图3 麦冬系统发育进化树

图4 麦冬19种cpDNA单倍型的最小阔度网络图

3、麦冬种群统计学历史

麦冬的错位分布明显是多模态的，与物种水平上预期的种群扩张的钟形曲线不一致（SSD =0.10627，P=0.000 <0.05），表明麦冬在有利的气候和环境条件下没有经历近期的扩张（图5）。麦冬的野生种群最近也没有扩张（SSD =0.08589,P= 0.000<0.05）。然而，SSD值为0.00028 （P= 0.058 > 0.05）的CMD和SSD值为0.00401 （P=0.160>0.05）的ZMD具有相对平滑的单点分布，表明CMD和ZMD可以被假定为一个扩展模型。

在物种水平上，Tajima's D和Fu's Fs都显示没有显著差异，表明麦冬没有经历最近的种群扩张，野生种群也没有。而CMD和ZMD的某些种群中存在种群扩张。

图5 麦冬cpDNA序列的错配分布

4、生物地理学分布

基于RASP的S-DIVA祖先区域重建的结果表明，麦冬可能起源于四川（A），随后在祖先区域和现在的分布区域之间发生了散布和迁移事件（图6）。这些事实支持四川可能是麦冬的一个祖先地区。

图6 麦冬的历史生物地理分布

5、物种分布模型

基于麦冬的地理分布，MaxEnt被用来模拟在LIG、LGM、MID和目前的情况下其潜在的分布（图7）。结果表明，在LIG时期，麦冬分布在中国的大部分地区（图7A）。在LGM时期之后，该物种的分布范围有轻微的扩展或重新定居（图7C）。而目前麦冬的分布范围与MID时期相似（图7D），说明麦冬在MID时期的迁徙和扩展趋于基本稳定。

图7 模拟中国不同气候条件下麦冬的分布区域

总结

本研究通过使用4种母系遗传的cpDNA引物，对23个采样点的麦冬遗传多样性进行了研究，并调查了其起源。结果表明，正是由于人类活动的影响，导致了两个产区的麦冬的遗传多样性低而遗传差异大，以及栽培种群和野生种群之间的遗传差异大。在起源方面，四川可能是麦冬的起源地之一，而四川地区的野生种群TQ被认为是麦冬栽培种的祖先。此外，作者认为应该保护含有高遗传多样性的种群，以保护麦冬的遗传资源和提高遗传多样性。本研究结果可能有助于更好地理解驯化对药用植物遗传多样性的影响，并为麦冬的保护和可持续栽培提供遗传方面的见解。

本文来自：物种分类及进化研究-公众号