芒苞草的保护基因组学研究

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芒苞草(Acanthochlamys bracteata P.C.Kao,2n=2x=40)是单子叶露兜树目翡若翠科的植物,也是该科唯一在北半球分布的物种。芒苞草现存种群数量极少,是国家二级保护植物,其分布范围极狭窄,仅存在于我国青藏高原东部的横断山区腹地。先前已有系统发育研究发现其分化早于青藏高原大规模隆升,然而该物种在历史上如何适应高海拔的恶劣气候环境,以及其极小种群对该物种当前和未来的生存有何影响,这些问题至今未被研究。在本研究中,我们构建了芒苞草的高质量基因组,并结合21个个体的重测序分析,着重探讨了该物种的高海拔适应机制、小群体的维持机制以及未来的保护措施。主要的研究结果如下:(1)基于Illumina、Nanopore以及Hi-C测序数据,组装了高质量的芒苞草参考基因组,contig N50达到了8 Mb,同时成功将41条contig挂载到20条染色体上,挂载率高达99.51%。基于从头预测和同源预测,共注释到23,144个蛋白编码基因,其中94.50%的基因能够在蛋白数据库中找到同源序列,证明基因组注释质量较高。(2)核基因以及叶绿体基因的系统发育分析均证实芒苞草于中生代晚期(距今69-81个百万年)与翡若翠科其它物种分化开。该时间远晚于印度板块与南半球的冈瓦纳大陆的分离时间(距今140-180个百万年),因此翡若翠科物种呈现洲际间断分布格局,是由长距离扩散所导致。(3)基于比较基因组学分析,揭示了芒苞草共享了大多数单子叶植物共同经历的基因组加倍事件(τ事件),同时在距今26个百万年左右独自发生了一次全基因组四倍化事件(WGD)。此次加倍的发生与青藏高原的快速隆升期相吻合,其保留的基因功能多与寒冷、干旱、盐及缺氧等胁迫响应有关,这些基因成功地帮助芒苞草适应了干旱的高山环境。然而,尽管已经历了两次基因组加倍事件,芒苞草的基因组(192 Mb)仅为其近缘物种Xerophyta viscosa基因组(295.5 Mb)大小的65%,同时也小于绝大多数单子叶植物,这可能使得芒苞草在青藏高原生存的生态负担更小,能量和营养需求更少。(4)基于PSMC分析,重建了芒苞草及其近缘种(X.viscosa)的种群历史,结果表明这两个物种在两次冰期时均发生了快速的群体收缩,但是芒苞草的有效种群大小始终低于X.viscosa,且呈现持续收缩的状态,群体一直未曾恢复,而X.viscosa在间冰期群体大小有所恢复,且在末次盛冰期之后仍保存有较高的种群大小。除却种群数量极其小之外,本研究也发现芒苞草居群内部个体之间的亲缘关系极近,基因组差异极小,这表明每个居群内部可能主要通过无性生殖进行繁殖。(5)通过对比200多个动植物的遗传多样性数据,本研究发现芒苞草基因组的杂合度和种群的核苷酸多样性均处于极低的状态,而基因组上的遗传负载很高,但群体内较高的近交水平帮助芒苞草高效地清除掉了极端的有害突变。这种极端有害突变被高度近交强力清除的情况,也被在多个物种的关联性分析所证实。综上所述,近期的全基因组加倍事件、基因组变小和克隆繁殖的生殖方式帮助芒苞草在环境严苛的青藏高原上成功存活下来。但是长时期的极小种群状态,导致其遗传多样性极低,遗传负载较高,而极端有害突变的高效清除则可以保证该物种以极小种群的状态持续生存下去。但是较低的遗传多样性无法应对未来环境的复杂变化,因此应当通过加强不同群体间的基因交流以增加物种的遗传多样性,并结合就地保护和迁地保护对该物种的不同种质资源加以保存和保育,以应对未来可能发生的情况。本研究不仅丰富了翡若翠科的基因组学研究,解析了芒苞草的高海拔适应机制、濒危过程和种群维持机制,而且为其它高山濒危植物的保护提供了参考。
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