中国西南山区耧斗菜隐存辐射的遗传机制研究

作者及机构
本研究由云南大学生态与环境学院的Jun-Chu Peng和Zhi-Qiang Zhang，以及中山大学生命科学院的Ziwen He共同完成，发表于《Communications Biology》（自然合作期刊），DOI:10.1038/s42003-025-08120-w。

学术背景
在进化生物学领域，隐存物种（cryptic species）指形态相似但遗传分化的类群，是理解生物多样性复杂性的重要窗口。中国西南山地作为全球生物多样性热点，其高山环境为植物快速辐射进化提供了天然实验室。研究团队选择毛茛科耧斗菜属（Aquilegia）的3个形态种（A. kansuensis、A. rockii和A. ecalcarata）为对象，这些物种表现出典型的形态保守但遗传分化的特征。前人研究表明，该属植物在欧亚大陆存在大量未被识别的隐存多样性，但其形成机制尚不明确。本研究旨在通过全基因组测序，解析遗传变异（standing genetic variation）和基因渐渗（introgression）如何协同驱动隐存辐射。

研究流程
1. 样本采集与测序
研究团队在西南山区23个自然种群采集158份个体（含3份外群A. yabeana），覆盖主要地理分布区。采用Illumina NovaSeq 6000平台进行全基因组重测序，平均覆盖深度11.71×，获得1695 GB清洁数据。通过BWAMEM比对参考基因组，GATK流程检测SNP，最终获得2,695,395个高质量变异位点。

1. 谱系结构与分化分析

   • 使用STRUCTURE软件进行群体结构分析，最优聚类数K=6，揭示11个进化谱系（A. kansuensis中4个、A. ecalcarata中4个、A. rockii中3个）
   • 通过邻接网络树（neighbor-net）和ASTRAL-III物种树分析显示，形态种内部存在并系群（paraphyletic groups），谱系间存在网状进化信号
   • 冗余分析（RDA）表明气候因素贡献26%的基因组变异，远高于地理隔离（5.3%）

2. 基因交流与不完全谱系分选检测

   • 采用f-branch统计鉴定出43次基因渐渗事件，其中39次发生在谱系形成后
   • 使用QUIBL方法区分不完全谱系分选（incomplete lineage sorting, ILS）与渐渗，发现64.84%的基因树分歧由渐渗驱动
   • 花瓣颜色量化（CIE L*a*b*色空间）显示，9个谱系具有显著差异的色素表型（如K1谱系黄色花瓣与R1谱系深紫色）

3. 基因组岛屿形成机制

   • 100 kb窗口分析发现遗传分化（Fst）与序列分歧（Dxy）呈强正相关（r=0.200）
   • 通过比较同域与异域种群，证实基因组岛屿（genomic islands）主要源于古老多态性的分歧选择而非基因流障碍
   • 平衡选择信号（β-score>2）与渐渗区域（fd>0）在60.71%的谱系特异性 outlier 中重叠

主要发现
1. 形态保守的遗传基础
在A. kansuensis中鉴定出15个固定分化位点（含11个非同义突变），其起源时间早于谱系分化（tK > t1 > t2），证明ILs是形态平行性的主要驱动力。例如，花瓣发育关键基因AQOXY5G03105（FLO/LFY同源基因）的等位基因共享模式符合祖先多态性保留假说。

1. 快速分化的双引擎机制

   • 祖先遗传变异：通过smc++推断有效种群大小（Ne）显示，末次盛冰期（LGM）的扩张使古老等位基因得以保留
   • 非姐妹谱系渐渗：检测到9-61%的适应性outlier具有渐渗来源，涉及蛋白磷酸化（GO:0006468）和氧化应激响应（GO:0006979）等通路

2. 生态地理隔离的强化作用
   横断山脉的地形屏障（如雅鲁藏布大峡谷、岷江）导致谱系地理隔离，而花色分化（如E2谱系淡紫色与R3谱系浅色）可能通过传粉者隔离加强生殖隔离。

结论与价值
本研究首次系统揭示了中国西南山区耧斗菜隐存辐射的基因组机制：
1. 科学价值：提出”ILs-渐渗”双阶段模型，即祖先多态性维持形态保守性，而气候波动引发的次级接触促进适应性渐渗，为理解快速辐射提供新框架。
2. 方法论创新：整合f-branch统计、QUIBL分析和表型量化，建立了解析隐存物种的多维度研究范式。
3. 保护意义：鉴定的11个进化显著单元（ESU）为西南山地生物多样性保护提供精准靶点。

研究亮点
1. 发现基因组岛屿的形成主要源于古老多态性的分歧选择，挑战了传统”物种形成岛”（speciation islands）理论在近期辐射事件中的适用性。
2. 揭示适应性渐渗可延长快速分化的时间窗口，为杂交成种（hybrid speciation）理论提供植物学证据。
3. 开发的花瓣颜色三维量化体系（CIE L*a*b*）实现形态微差异的客观测量，弥补传统分类学的局限性。

补充发现
研究还发现第三染色体上存在控制距长度的数量性状位点（QTL），其中POPVINCH基因可能通过上下游调控元件影响A. ecalcarata（无距）与A. rockii（有距）的形态分化，这为花器官发育进化研究提供新线索。