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《极小种群野生植物蒜头果保护基因组学研究方面取得新进展》

  • 来源专题：生物育种
  • 编译者： 季雪婧
  • 发布时间：2024-10-09

  •     蒜头果（Malania oleifera）隶属于铁青树科蒜头果属，是我国特有的珍稀濒危孑遗植物，仅残存于云南东南部和广西西部的喀斯特地区，因其种子富含神经酸而具有极高经济和药用价值。由于其种群小且生境破碎化严重，蒜头果在《云南省极小种群物种规划纲要（2010-2020）和紧急行动计划（2010-2015）》中被列为急需采取紧急拯救保护行动的极小种群野生植物，也是国家二级重点保护野生植物。中国科学院昆明植物研究所极小种群野生植物综合保护团队通过基于前期发表的蒜头果高质量基因组，对蒜头果整个分布范围内的16个种群165个个体开展了全基因组重测序，揭示了蒜头果极小种群格局形成的原因，并评估了未来气候变化下可能的基因组偏移(genomic offset)和生态位适应性改变。

        尽管蒜头果分布狭窄，基于所有位点和中性位点的种群遗传结构分析都显示蒜头果包含14个遗传组分，除了曙光、睦伦、凤山和凌云种群，其余种群相对纯和，与其他种群没有或只有轻微的遗传混合。基于适应性位点的种群结构最佳K=10，睦伦和八宝种群、板蚌和坝美种群、者苗和乐业种群分别具有相同的遗传组分，暗示这些种群可能具有相似的适应性（图1）。虽然蒜头果维持了相对较高的遗传多样性（θπ= 3.87×10?3），但旧莫、南屏和坝美种群相比于其他种群遗传多样性较低且具有很严重的近期近交，严重近交还导致了有害突变的积累，增加了遗传负荷。同时，这三个种群与其他种群具有很大的遗传分化，如果不进行遗传拯救(如辅助基因流)，可能会加剧其种群灭亡（图2）。总的来说，反复的瓶颈事件、近期的近交(推测发生在约490年前)和强烈的人为破坏加剧了蒜头果的濒危状态和生境破碎化程度。此外，科研人员还对蒜头果的未来分布区进行了预测。结果表明，与当前的分布范围相比，2100年蒜头果潜在适宜分布区将减少71.15%（SSP126情景）和98.79%（SSP585情景）。梯度森林结果表明，分布在较低海拔（广西西部一带）的蒜头果种群表现出更大的遗传偏移，暗示这些种群更容易受到未来极端气候的影响（图3）。

        以上结果为划分蒜头果管理单元和适应性单元提供了科学参考，为确定遗传拯救优先群体提供了理论依据。同时，科研人员强调了基因组脆弱性评估、生态位模拟和景观基因组学在科学制定极小种群野生植物保护行动中的重要性。

        近日，该研究以Genomic insights into endangerment and conservation of the garlic-fruit tree (Malania oleifera),a plant species with extremely small populations为题在线发表于国际期刊GigaScience。中国科学院昆明植物研究所已毕业硕士研究生沈元婷、博士研究生陶丽丹和张仁纲为共同第一作者，马永鹏研究员、孙卫邦研究员为共同通讯作者。硕士研究生姚刚（已毕业）和周敏洁参与了部分工作。该研究获得云南省自然科学基金重点项目、中国科学院“西部之光”计划、云南省兴滇人才计划和云南省科技特派团项目的资助。

  • 原文来源：http://www.ebiotrade.com/newsf/2024-9/20240925065341368.htm
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  • 《武汉植物园在菱属泛基因组和结构变异研究方面取得新进展》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2023-10-18
    • 水稻、玉米和小麦为三大主粮作物，占据了世界粮食产量的 80%以上，主粮来源单一也成为全球粮食安全和营养安全的隐患，对“孤儿作物”（orphan crop）的重视利用是应对粮食安全危机的有效手段之一。然而，随着城乡现代化进程的持续推进和现代集约化农业的快速发展，“孤儿作物”野生种和地方品种资源正日趋减少，与主粮作物相比，其种质资源的研究及现代育种技术的应用严重滞后。菱角就是一种典型的“孤儿作物”，自新石器时代以来，长江流域的先民开始有意识地大规模采集、驯化菱角，在南宋时期已成为江南地区的主粮之一，仅太湖地区就形成了包括“乌菱”、“南湖菱”等20多个栽培品种。随着基因组学技术的发展，泛基因组研究已成为全面理解作物重要性状形成机制的重要手段，被广泛应用于作物育种改良。近日，武汉植物园东亚植物演化、保护与利用学科组邱英雄研究员团队在Horticulture Research期刊以Research article形式在线发表了题为“Pangenome of water caltrop reveals structural variations and asymmetric subgenome divergence after allopolyploidization”的研究论文。 　　菱属（Trapa L.）包含欧菱（T. natans）和细果野菱（T. incisa）两个种，其中欧菱包括异源四倍体（AABB）与二倍体（AA）两种倍性，而细果野菱（BB）为二倍体，栽培菱角即驯化于形态较大的二倍体欧菱（图1）。本论文组装了菱属两个二倍体物种的高质量基因组，结合已发表的四个（亚）基因组，构建了基于基因家族的泛基因组（图2），结果显示：在全部基因家族中，核心基因家族（core gene clusters）、可变基因家族（dispensable gene clusters）与私有基因家族（private gene clusters）分别占所有基因家族的48.05%、28.92%和23.03%。同时，该研究还以栽培南湖菱（欧菱）基因组（TnA_NL）为骨架，基于211,598个非冗余的插入缺失变异（PAVs）构建了菱属的图形化基因组，这种图形化基因组为结构变异的精确分型提供了平台。为了探究PAVs是否与二倍体种之间的表型差异有关，研究团队进一步鉴定到了40,453个PAVs在A/B两种基因组类型间完全分化，这些PAVs涉及2,570个基因。GO富集分析发现，这些基因的功能主要包括器官生长发育、有机物代谢过程、响应外界刺激三类，且在多个器官中呈现差异表达，表明了这些基因可能在二倍体种间表型分化和生殖隔离方面起到了关键作用（图3）。此外，基于亚基因组和亲本基因组之间的比较和泛转座子（TE）分析，我们发现异源四倍体欧菱经历了亚基因组不对称演化，其中B亚基因组为显性亚基因组，而不平衡的PAVs、TE扩增、部分同源互换以及基因表达差异等因素共同驱动了异源多倍体的亚基因组不对称演化（图4）。总之，菱属泛基因组构建和结构变异鉴定为菱角研究提供了重要的资源和平台，研究结果不仅加深了人们对多倍化过程中基因组演化的认识，也为菱角种质资源的遗传评价和种质创新奠定了坚实的基础。 　　浙江大学/武汉植物园联合培养博士研究生张心怡和陈阳（现任职宁波市农科院）为论文共同第一作者，中国科学院武汉植物园邱英雄研究员和金华市农科院郑寨生研究员为论文的共同通讯作者。武汉植物园水生植物研究中心陈媛媛副研究员参与部分工作，中国农科院深圳基因组研究所周永锋研究员为该研究结果解读提出了宝贵的建议和讨论。该研究得到浙江省金华市农科院院地合作项目的资助。  
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  • 《武汉植物园在第三纪孑遗植物保护基因组学方面取得新进展》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2023-10-08
    • 　第三纪孑遗植物代表生命之树上独特支系，多为单型或寡型属，其灭绝将深刻影响种子植物谱系多样性格局。孑遗植物野生种群小，呈片段化分布，种群自然更新能力弱；在人类活动导致生境片段化日益加剧背景下，理解其适应性与进化潜力对其保护具有重要意义。突变负荷的进化是影响物种生存的关键遗传因素，然而，种群动态历史、自然选择如何影响孑遗植物的基因组变异、遗传负荷，从而决定其适应性和进化潜力仍知之甚少。 　　金钱槭属（Dipteronia Oliv.）是无患子科（Sapindaceae）落叶乔木，为东亚特有的第三纪孑遗木本属，古近纪曾广泛分布于东亚和北美，而仅在东亚现存两个物种，即金钱槭（D. sinensis Oliv.）和云南金钱槭（D. dyeriana Henry），前者较为广泛地分布于中国西南地区，而云南金钱槭局限分布于云南东南部，被《中国植物红皮书》及国际自然保护联盟（International Union for Conservation of Nature，IUCN）红色名录列为濒危物种。近日武汉植物园东亚植物演化、保护与利用学科组邱英雄研究员团队以“Genome sequences and population genomics provide insights into the demographic history, inbreeding and mutation load of two ‘living fossil’ tree species of Dipteronia”为题在The Plant Journal在线发表了金钱槭属的保护基因组学研究论文。该论文组装了两个物种的高质量基因组，并开展了比较基因组学分析，结合群体重测序数据，揭示了两物种的遗传结构和保护单元；比较了不同物种及种内各谱系的遗传变异、种群动态历史、近交、选择效率、有效种群大小、有害突变积累式样，揭示了它们之间的相关性，阐明了现存物种的适应潜力以及云南金钱槭濒危的遗传机制，提出了保护对策。本研究强调了不同种群动态历史对第三纪孑遗植物有害突变的积累和清除的影响，这些突变可能决定其长期生存和灭绝风险，研究结果对第三纪孑遗植物以及其他物种的小种群有害变异的遗传管理具有重要意义。 　　首先，研究团队基于Illumina、PacBio long reads和Hi-C测序技术相结合的策略组装获取了金钱槭和云南金钱槭的参考基因组。对金钱槭、云南金钱槭、漾濞槭和元宝槭基因组共线性分析结果表明，金钱槭属两个物种的基因组经历了大规模的染色体重排，与槭属物种一样，金钱槭属两个物种基因组均只经历了一次古代的γ事件而没有经历近期的全基因组加倍。对金钱槭16个种群54个个体和云南金钱槭7个种群40个个体进行重测序，ADMIXTURE分析将金钱槭划分为以长江为界的南北两个谱系，云南金钱槭分为三个谱系，位于蒙自县老寨乡的LZ、文山国家级自然保护区内的WS种群以及位于麻栗坡县的MLP种群（距离云南金钱槭主要分布地文山国家级自然保护区100多公里，为2017年重新发现）各自形成单独基因池，应作为独立保护单位开展迁地保护。 　　对金钱槭和云南金钱槭及各谱系的遗传多样性及近交系数进行比较，发现金钱槭的遗传多样性高于云南金钱槭，而近交程度低于云南金钱槭。ROH分析表明两个物种的种群内普遍存在近期的近交。金钱槭的北部谱系遗传多样性高于南部谱系，近交程度低于北部谱系。云南金钱槭的MLP谱系种群规模最小，其遗传多样性水平却不低，且近交系数最小，同时拥有很高的杂合度和高比例的克隆个体。 　　进一步结合系统发育基因组学、PSMC和FASTSIMCOAL2进行谱系分化历史和种群动态历史推断，结果显示：金钱槭自中新世晚期以来发生种群收缩，并在晚中新世到上新世分化为长江南北两个谱系；云南金钱槭的MLP谱系在更新世早期到中期先分化，随后WS与LZ谱系在更新世中期进一步发生分化。表明了中新世末期/上新世全球气候变冷和更新世气候动荡驱动金钱槭和云南金钱槭的持续谱系分化。而近期人为因素导致云南金钱槭MLP谱系发生急剧收缩，因此其仍保留了一定程度的祖先多态性。 　　对两个物种及谱系的有害突变积累进行比较分析发现，云南金钱槭积累的有害突变比例显著高于金钱槭，金钱槭种群规模较小的南部谱系比北部谱系积累了更多的有害突变，同时南部谱系对极端有害突变有一定的清除能力。而云南金钱槭的小种群（即LZ和MLP）由于近期种群急剧缩小、遗传漂变加剧及无性繁殖比例增加，虽然对有害突变有一定的清除能力，但相比分布于文山国家级自然保护区内的WS种群仍积累了较多有害突变，特别是MLP种群积累了大量严重有害的功能缺失（LoF）突变，且有一部分与响应环境刺激、RNA分解代谢及种子发育相关的LoF突变已在麻栗坡谱系固定，对其适应性潜力造成严重负面影响，建议从WS种群挑选遗传负荷低的个体，对MLP种群开展遗传拯救。 　　浙江大学已毕业博士生冯钰（现为中国科学院成都生物研究所特别研究助理）为论文第一作者，中国科学院武汉植物园邱英雄研究员和美国圣路易斯华盛顿大学Kenneth M. Olsen教授为论文共同通讯作者。该研究样品采集得到了朱鑫鑫、廖帅、周建军、冯力等人以及云南省昆明植物所、云南省文山国家级自然保护区管理局、麻栗坡县林业局、陕西省牛背梁国家级自然保护区管理局、河南省南召宝天曼管理局、四川省宝兴县林业局、甘肃省党川林场、湖北省神农架管理局、湖北省大老岭保护区管理局、湖北省后河保护区管理局等相关单位的帮助和支持。浙江大学陈军研究员、四川大学马涛教授为该研究结果解读提出了宝贵的建议和讨论。该研究得到了国家重点研发计划（2022YFF1301703, 2017YFA0605100）、国家自然科学基金（31872652, 32161143003）、国家科技基础资源调查专项（2017FY100100）等支持。
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