松树杂交带的重复性基因组结果：从欧洲赤松与高山松的渐渗模式看物种形成连续体的进化可预测性

本综述通过对欧洲赤松（Pinus sylvestris）与高山松（P. mugo）三个杂交带的基因组学分析，揭示了跨环境的杂交基因组组成具有高度一致性，并发现不对称渐渗偏向P. mugo祖先。研究提出传统上被视为濒危孑遗种的泥炭沼松（P. uliginosa）实为部分稳定的杂交谱系，为松树物种复合体的分类修订和杂交谱系的适应性保护提供了关键基因组证据。

　　

引言：松树杂交与物种形成连续体

杂交是广泛的进化过程，也是进化新颖性的关键来源。尽管已有深入研究，但杂交在多大程度上是确定性和可重复的——特别是在相同物种于不同生态条件下发生重复接触的事件中——仍不清楚。松属（Pinus）植物是研究沿物种形成连续体发生的分化和杂交过程的特别有用的模型。该属包含约120个物种，由于分布区重叠且生殖隔离较弱，物种间频繁杂交并产生可育后代。本研究以欧洲赤松（Pinus sylvestris）和高山松（P. mugo）复合体的成员为研究对象，旨在阐明杂交和渐渗在物种分化中的作用。

材料与方法：采样与基因分型

研究聚焦于波兰南部的三个松树杂交带以及11个同域分布的亲本物种参考种群。采样个体总数为1345株。利用定制的Axiom PineGAP SNP芯片（包含49829个标记）进行基因分型。经过严格质控，最终保留7390个高质量核SNP用于下游分析。此外，还利用了叶绿体trnL-trnF区间的物种诊断片段信息。数据分析包括使用LEA软件进行遗传结构分析、主成分分析（PCA）、计算杂合度等遗传多样性参数、使用gghybrid和triangular程序包估算杂交指数，并应用TreeMix和f3统计来推断基因流和历史混合事件。

结果：杂交带的遗传组成

遗传结构分析识别出两个主要遗传组（K=2），分别对应P. sylvestris和P. mugo的祖先。在所有杂交带中均未发现泥炭沼松（P. uliginosa）作为一个独立的遗传簇。相反，观察到混合的祖先成分。PCA结果进一步支持了这一发现，PC1（解释17.5%的变异）清晰地分离了两个亲本物种，而杂交个体则散布在两者之间的遗传空间中。所有杂交带中的个体大多为杂交起源（70%–100%），并且没有个体被归类为纯的P. mugo（TZ种群中的30个个体经其他分析证实也应视为杂交个体）。

遗传多样性

与两个亲本物种相比，杂交个体表现出显著更高的遗传多样性（观测杂合度Ho、期望杂合度He和等位基因丰富度）。据预期，这种现象在推定的F1杂交子代中尤为明显。杂交也影响了近交系数F_IS的值，在所有杂交类群中均接近零（F_IS ~ ?0.02），而推定的F1代则显著更低（=?0.1）。分层F统计表明，大多数遗传变异由祖先类别解释（F_{ST ancestry} = 0.045），而类别内的种群间结构可忽略不计（F_{ST population} = ?0.016）。

杂交带中的渐渗模式

基于祖先信息标记（AIM）的杂交指数与LEA祖先系数高度相关（r2 = 0.98）。分析揭示了P. sylvestris和P. mugo之间存在显著的不对称渐渗，且这种模式在不同杂交带间是一致的，均偏向P. mugo祖先。鉴定出130个AIM（约占总SNP的1.8%），其中P. sylvestris和P. mugo的关联SNP平均频率分别为0.37和0.71，突显了向P. mugo祖先的普遍偏向。叶绿体DNA（cpDNA）分析进一步支持了这种单向渐渗模式，大多数F1杂交个体携带P. mugo的cpDNA。f3检验结果为所有测试的三元组提供了混合的强有力证据。TreeMix分析揭示了三个最佳迁移事件，共识最大似然树显示基因流方向存在偏向P. mugo的清晰模式。

杂交带内的表型变异性

表型类别的分布显示了祖先与形态学之间的复杂关系。杂交松树表现出广泛的表型性状谱，其并不总是可预测地与其遗传背景一致。被归类为P. uliginosa的个体始终显示出较高的P. mugo祖先（平均近85%），然而这些个体却表现出非典型的、高大的树状形态。具有相似基因组背景的个体频繁地表现出多样的生长形态，并且P. uliginosa状表型并非P. mugo和P. sylvestris之间杂交进化的固定终点，而是取决于每个杂交点的特定进化轨迹和局部基因型-环境互作的可能结果。

讨论：环境限制与杂交带形成

研究发现所有研究的杂交带中存在一致的杂交形成模式，这表明这两个物种之间的杂交并非随机，而是只要生态位合适就会发生的可预测结果。山地和山前泥炭地就是这样的生态位。古生态学重建表明，随着泥炭地在后冰期景观中的扩张，新的生态位出现，使得向北迁移的P. sylvestris与定居的P. mugo种群之间发生二次接触，从而建立了持久的杂交带。

杂交带间的不对称渐渗

尽管环境因素主要影响了杂交带的初始形成，但其存续和基因组组成在很大程度上取决于群体因素、遗传变异、生殖生物学以及作用于杂交子的选择压力。数据显示所有研究的杂交带中存在一致的不对称的、主要偏向P. mugo的渐渗模式。群体过程（如有效种群大小的差异）可以部分解释这种重复出现的不对称渐渗模式。然而，群体历史本身无法完全解释持续存在的偏向P. mugo祖先的现象。其他机制，如固有的合子前屏障或合子后过程（如早期杂交子活力低下）也可能导致定向杂交。选择驱动的杂交个体过滤可能促进了适应性渐渗。

杂交带内提升的遗传和表型变异

存在一些早期世代的杂交树表明种间基因流是持续进行的。分析群体反映了持续数千年展开的持续杂交过程。观察到的杂交祖先比例的变化与环境因素相关，并支持了杂交带维持的“有界杂交优势”模型。增强的重组和超亲分离在杂交群体中产生了相对于亲本物种更高的遗传和表型变异。研究揭示了生长形态的显著多样性，并且表型在杂交带内呈现非随机的空间分布，这表明诸如水分可用性梯度等环境因素施加了差异选择压力。

杂交作为物种形成的一种途径

结果表明，所研究的杂交松树群体代表了物种形成连续体上的不同点，其特征是近期形成的（约1万年）、由偏向P. mugo的渐渗个体为主的稳定杂交群体。它们是在不适合纯亲本物种生长的栖息地中，由强大的选择压力塑造而成。提供了强有力的基因组证据，支持泥炭沼松（P. uliginosa）是一个部分稳定的杂交谱系，经历了生态过滤和群体隔离，但缺乏足够的遗传分化以被明确认定为一个独立的物种。

分类学与保护意义

P. sylvestris和P. mugo的同域分布产生了多样的杂交表型和基因型，使个体分类学归属复杂化。基于遗传发现，研究提出类似于P. uliginosa的个体应被一致地归类为Pinus ×rhaetica或更一般地称为Pinus mugo × Pinus sylvestris。无论当前的分类学地位如何，这些杂交群体的长期存续似乎不确定，因为它们通常代表的是瞬态的进化结果而非稳定的物种。它们相对于亲本物种在特定生境（尤其是泥炭地）中的选择优势 paradoxically 与其脆弱性相关。保护这些杂交群体内包含的基因组多样性应被优先考虑。