近日，兰州大学生态学院刘建全教授团队牵头揭示了重要牧草短柄草属杂交多倍化和同域生态分化方面的遗传演化机制。相关成果发表在进化生物学领域期刊Molecular Biology and Evolution以及PNAS上。

短柄草（Brachypodium）属物种都是重要牧草，分布在不同生境下，具有复杂的演化历史，如：杂交短柄草(Brachypodium hybridum（2n=4x=30，x=10+5）是一个异源四倍体物种，起源于现存的两个二倍体物种：二穗短柄草(B. distachyon2n=2x=10，x=5) 和斯特斯短柄草（Brachypodium stacei，2n=2x=20，x=10）（图1）。兰州大学生态学院刘建全教授牵头，联合西班牙萨拉戈萨大学Pilar Catalan教授以及以色列海法大学Eviatar Nevo教授在国际期刊Molecular Biology and Evolution和PNAS发表了两篇论文，揭示了杂交短柄草多次杂交多倍化产生同一物种后的基因组稳定性和可变性，以及不同生境下自交物种斯特斯短柄草同域生态适应分化的遗传演化机制研究论文。

图1 三个研究物种的形态特征

杂交异源多倍化作为一种重要的快速物种形成，在驱动植物物种形成中发挥着重要作用。研究人员使用基因组数据和机器学习等方法，确定了杂交短柄草物种，至少有三次的独立起源，都是来源于同样两个祖先物种的杂交多倍化；不同起源的谱系相互之间没有生殖隔离，相互杂交能产生后代。

在确认杂交短柄草的多次起源后（图2），研究人员进而对同源序列交换（HE）核同源表达偏好（HEB）在三次杂交四倍化之间的变化趋势进行了详细检测；研究人员只鉴定到了很少的“替换”HE 事件（HE with replacement），而没有发现“互换” HE 事件（reciprocal HE）。

图2 杂交短柄草异源多倍化的多次起源

杂交短柄草的三次杂交四倍化材料中亚基因组优势不显著；但某些基因仍表现出稳定的基因偏好表达。优势表达基因和周围的转座元件密度密切有关，优势和劣势表达基因附近的转座元件差异主要是来自祖先基因组。

异源多倍体具有广泛的适应性优势；研究发现干旱胁迫可以改变新形成异源四倍体 材料中一些同源基因对的表达偏好模式，参与干旱响应的基因拷贝表达量均上升；这些现象可能是两个亚基因组中维持独立的基因表达调控网络导致的，它们在胁迫响应中能独立的发挥作用。

图3 干旱胁迫对杂交短柄草异源多倍化基因表达模型的影响

总之，研究人员证实了杂交短柄草的多次杂交多倍化起源；异源四倍化后的两个亚基因组保持着高度一直的序列以及结构和基因表达水平的保守性。这些研究结果为利用同样两个二倍体祖先物种，多次人工创制具有相同亚基因组结构的同一个异源多倍体物种提供了重要依据。

研究结果以Subgenomic stability of progenitor genomes during repeated allotetraploid origins of the same grass Brachypodium hybridum为题发表在进化生物学领域期刊Molecular Biology and Evolution上。兰州大学已毕业研究生牟文杰等为第一作者，刘建全、Pilar Catalan以及Eviatar Nevo教授为共同通讯联系人。

此外，短柄草属多个物种为自交物种，分布在不同生境下。研究人员选择斯特斯短柄草分布在不同生境的两个生态型，进行了生态分化研究：它们杂交亲和、主要进行自交，但是其种子可以自由传播，具有通过种子的自由基因流。基于全基因组的群体结构分析结果显示，两个生态型来自最近的共同祖先，是最近的同域生态分化，而非先异域分化后在同一个地方再次接触形成的同域分化。两个群体中也存在一些个体显示出汇合迹象，这表明这两个空间上相邻的群体之间依然存在通过种子的基因流动。两个群体均观察到了高自交率和低重组率，以及较长的连锁不平衡距离（~ 200kb）。为了去除近交基因组背景对群体历史模拟的影响，研究者采用了近交模型进行了分析；最优的拟合模型显示，两个生态型群体大约在10,000年前发生了分化。随着时间的推移，基因流逐渐减少，表明这两个群体在漫长的进化历史中逐渐趋于独立；非常符合有基因流同域物种形成的模式。

图4 特斯短柄草两个同域生态型的遗传分化

两个群体间的平均遗传分化系数非常高，该物种高自交率可能促进了基因组的分化，在较短的分化时间内导致了较高的群体分化水平。研究人员确定了807个在两群体间高度分化的“基因组岛”。与整个基因组的背景相比，这些基因组岛中的DXY显著较高，而π值较低，即群体内遗传多样性减少，群体间差异增加；符合伴随基因流的生态分化模型的理论预测。这些基因组岛进一步合并成了284个不重叠的窗口，其中有13个窗口的大小大于100 kb，占所有基因组岛总长度的28.62%。这些窗口分散在所有染色体上（基于Fisher's exact test验证），与同域物种形成的模型预测一致。随后，根据前5%DXY值和高分化基因组岛，鉴定了总共2.05Mb基因流较低或发生古代多态性分化筛选（divergent sorting of ancient polymorphisms）的基因组区域，其中包含440个基因。这些基因的一些同源基因在水稻中证明与繁殖和发育、胁迫响应以及能量代谢相关。这些高分化基因位点分散在整个基因组中，不连锁，具有随机性。

两个生态型在水分充足的条件下，地上植物表型和叶组织的光合指标相似。然而，在干旱处理存在差别（图5）；特别是与干旱胁迫相关脱落酸（ABA）植物激素及其相关下游信号基因通路方面存在较大的区别；这些差异表达基因大都位于两个生态型之间的高分化区域。

图5 特斯短柄草干旱胁迫下的基因表达响应

总之，利用模拟干旱实验，使用转录组、代谢组、分子功能证据等，该研究较为完整地阐明了自交牧草物种斯特斯短柄草的同域生态分化；这两个生态型可能正处于同域物种形成的初始阶段。这一研究结果也为自交植物的生态适应提供了一个新的案例；同时，也为将来选育不同生境下的生态型，培育为牧草新品种提供了理论基础。

研究结果以Scattered differentiation of unlinked loci across the genome underlines ecological divergence of the selfing grass Brachypodium stacei为题发表在PNAS上。兰州大学已毕业研究生牟文杰等为第一作者，刘建全、Pilar Catalan以及Eviatar Nevo教授为共同通讯联系人。

内容来源 | 兰州大学生态学院

编辑 | 温彩霞

责任编辑 | 彭倩