基于核基因组的苹果属系统发育与生物地理演化研究揭示形态性状进化新机制

本研究利用45个转录组/基因组数据，通过12,835个基因家族和1,597个直系同源基因的 coalescent-based 系统发育分析，重构了苹果属（Malus）的高支持度系统发育框架，证实了 Eriolobus 和 Docynia 应归入苹果属，并识别出6个主要演化支系。研究揭示了苹果属起源于中新世早期（约20 Ma）的东亚南北部，并发现宿存萼片、叶片分裂和石细胞为祖先性状，果实大小与萼片形态存在显著关联。该研究为苹果属的分类、生物地理扩散及形态演化机制提供了重要理论依据。

　　

苹果属（Malus）作为蔷薇科中分布最广泛的属之一，不仅包含全球重要的经济作物如苹果（M. domestica）和海棠类观赏植物，还因其复杂的杂交背景、多倍化现象及广泛的形态多样性而成为演化生物学研究的经典模型。然而，该属的系统发育关系长期存在争议，传统分类系统依据萼片宿存性、叶片形态和石细胞等性状划分的5个组别（Sect. Malus, Sorbomalus, Chloromeles, Eriolobus, Docyniopsis）与分子数据存在显著冲突。此外，苹果属的起源中心、扩散路线以及关键形态性状的演化机制仍不明确。这些问题严重制约了对苹果属生物多样性形成机制的理解及其种质资源的合理利用。

为解决上述问题，由河南农业大学园艺学院、生命科学学院及德国慕尼黑大学等机构合作的研究团队，在《BMC Plant Biology》发表了题为"Nuclear phylogeny of Malus with increased sampling provides new insights into biogeography and character evolution"的研究论文。该研究整合了45个转录组/基因组数据（涵盖32个苹果属及相关物种），采用大规模核基因数据分析技术，首次构建了苹果属的高分辨率系统发育框架，并深入探讨了其生物地理演化历史及关键形态性状的演化规律。

研究主要采用以下技术方法：

1. 1.
   多源数据整合与质控：从公共数据库下载及自行测序获得45个样本的转录组/基因组数据，使用 Trimmomatic 进行质控，Trinity 进行从头组装，TransDecoder 提取编码序列（CDS）。
2. 2.
   直系同源基因筛选：通过 CD-HIT 去冗余，Blastn 和 MCL 聚类获得12,835个基因家族，采用"monophyletic outgroup"方法筛选出1,597个直系同源基因集。
3. 3.
   系统发育重建：分别使用 ASTRAL-Pro3（基于基因家族树）、ASTRAL-IV（基于直系同源基因树）和 IQ-TREE（基于串联矩阵）构建物种树，并通过 PhyParts 和 Quartet Sampling 评估基因树冲突。
4. 4.
   分化时间与生物地理重建：使用 MCMCTree 基于111个长序列基因（≥1,000 bp）进行分化时间估算，结合化石校准点；采用 BioGeoBEARS 进行祖先分布区重建。
5. 5.
   形态演化分析：使用 R 包 phytools 和 physiosignalDB 对萼片宿存性、叶片分裂、石细胞、果实大小等性状进行祖先状态重建和系统发育信号检测。

研究结果

1. 系统发育重建

基于12,835个基因家族和1,597个直系同源基因的 coalescent 分析均支持苹果属分为6个主要支系（Clade I-VI），并强烈支持将传统分类中的 Eriolobus 和 Docynia 属归入苹果属。Clade I 包含北美物种（M. angustifolia, M. ioensis）与 Eriolobus 的姐妹群关系；Clade II 由 M. honanensis 和 M. transitoria 组成；Clade III 和 IV 分别为 M. fusca 和 M. toringoides 的单系群；Clade V 包含 M. baccata、M. robusta 及5个东亚物种；Clade VI 则涵盖包括栽培苹果（M. domestica）在内的12个物种。串联分析法（concatenation）在支系V和VI的关系解析上存在冲突，表明这些支系可能存在快速辐射或杂交事件。

2. 系统发育冲突评估

基因树冲突分析显示，支系V和VI的节点具有较低的 ICA（Internode Certainty All）值（<0.5）和 QC（Quartet Concordance）值（<0.5），表明这些区域存在显著的基因树不一致现象，可能由不完全谱系分选（ILS）或古代杂交事件导致。

3. 分化时间估算

苹果属冠群分化时间约为20 Ma（95% CI: 18.66-21.91 Ma），属内主要支系的分化集中在中新世中期至晚期（9-15 Ma）。支系V和VI的快速多样化发生在约9 Ma，与全球气候变冷及季风增强时期吻合。

4. 生物地理重建

BAYAREA-like+J 模型重建表明，苹果属祖先分布区为东亚北部（A）和南部（B），随后向中亚（C）、西亚/欧洲（D/E）及北美（F/G）扩散。中亚地区（如新疆）是野生苹果（M. sieversii, M. orientalis）的次生分化中心。

5. 形态演化分析

祖先状态重建表明，宿存萼片、叶片分裂和石细胞是苹果属的祖先性状。其中萼片形态（M=0.8095, p=0.002）、叶片分裂（M=0.7857, p=0.002）和石细胞（M=0.7381, p=0.021）具有强烈的系统发育信号。果实大小与萼片形态显著相关（p<0.005），表明这两个性状可能协同演化。白色花芽和花朵为祖先状态，粉色/红色花为后期衍生性状。

结论与意义

本研究通过大规模核基因组数据解决了苹果属长期存在的系统发育争议，明确了6个主要演化支系的关系及 Eriolobus、Docynia 的分类学归属。生物地理分析首次证实苹果属起源于东亚而非此前争议的北美或中亚地区，其扩散过程与中新世气候变迁及地质事件密切相关。形态演化分析揭示了关键性状（萼片、石细胞、叶片）的演化轨迹及其适应性意义，为苹果属种质资源鉴定提供了分子依据。

该研究不仅为蔷薇科系统演化研究提供了新范式，也为果树育种提供了重要的遗传背景信息。例如，萼片宿存性与果实大小的关联可为鲜食苹果选育提供指示性状；石细胞分布的演化规律有助于改善梨果品质。未来研究可进一步整合群体基因组学与生态数据，深入解析杂交和选择在苹果属多样化中的作用。