柳属灌木（柳亚属 Vetrix 分支）的全球尺度时空演化：揭示北半球高纬度木本植物多样性的形成机制

《Molecular Phylogenetics and Evolution》：Spatio-temporal evolution of shrub willows ( Salix subgenus Vetrix clade) on a global scale

本研究针对北半球木本植物谱系时空演化研究不足的问题，利用RAD测序技术对柳属灌木（Salix subgenus Vetrix clade）开展全球尺度研究。研究基于覆盖140个物种的广泛采样，构建了高分辨率系统发育树，揭示了四个主要谱系及其杂交起源，证实该支系起源于第三纪的亚洲，其多样化与更新世气候冷却同步，并发现多倍化和杂交是物种形成的重要驱动力。该研究为理解高纬度地区植物多样性形成机制提供了关键见解。

　　

在北半球的温带至北极地区，分布着一个巨大的植物区系——全北界（Holarctic），这里孕育了松科、壳斗科、桦木科和杨柳科等众多乔木和灌木物种。然而，与热带地区物种丰富度通常更高的普遍规律相反，柳属（Salix）植物却呈现出独特的分布模式：其在北半球拥有最高的多样性，而在热带地区种类稀少。这一反常现象背后的演化过程和驱动机制长期以来是植物系统学和生物地理学领域未解的谜题。

柳属是一个种类繁多、分类复杂的木本植物属，全世界约有450-500种，其中超过三分之二属于灌木柳类（传统上分为Vetrix和Chamaetia两个亚属）。近年来的分子系统学研究证实，这两个亚属实际上构成一个单系分支，因此研究者将其统称为“Vetrix分支”或灌木柳。该分支包含了约350个物种，许多种类适应了北极-高山生态系统，成为全北界地区重要的生态组成部分。尽管其生态重要性显著，但这一关键类群的系统发育关系和生物地理历史却仍缺乏深入研究，限制了我们对其在高纬度地区形成高多样性机制的理解。

此前的研究对柳属的演化历史提出了多种假说。有学者认为灌木柳起源于早第三纪，其多样化可能受到生态位可用性、多倍体化和杂交的影响；也有研究推测其分化与气候冷却和地质事件相关。然而，由于柳属植物普遍存在雌雄异株、花部特征简化、频繁杂交以及高比例的多倍体物种等问题，其系统发育关系一直难以解析。传统的Sanger测序技术虽能区分亚热带和温带的乔木柳类，但对灌木柳分支的分辨率不足。近年来，高通量的测序技术为破解这一难题提供了新的工具。

在此背景下，由Pia Marin?ek、Jing Vir Leong、Loic Pittet、ètienne Léveillé-Bourret、Tommi Nyman、Maria Tomoshevich、Evgeny Banaev、Li He、Elvira H?randl、Martin Volf和Natascha D. Wagner组成的研究团队开展了一项全球尺度的研究，旨在重建灌木柳的时空演化历史。他们的研究成果发表在《Molecular Phylogenetics and Evolution》上，为理解这一重要植物类群的进化提供了新的见解。

研究人员采用了多种关键技术方法开展本研究。他们首先进行了全球范围的广泛采样，获取了303个个体，代表136个物种，覆盖了Vetrix分支超过三分之一的现存物种多样性。样本来源包括北美、欧亚大陆和中国等多个地区，其中68个样本为本研究新生成，其余样本来自既往研究。研究人员使用RAD（限制性位点相关DNA）测序技术，采用PstI限制性内切酶处理，选择300-500 bp的片段，使用ipyrad流程进行从头组装，聚类阈值设为85%。他们构建了基于67,654个RAD位点和764,003个SNP的系统发育树，使用IQ-TREE软件进行最大似然分析，采用TVM+F+I+G4替代模型，并通过超快 bootstrap 评估统计支持。此外，研究还使用了sNMF分析遗传结构，应用BEAST和chronos方法进行分子定年，利用BioGeoBEARS进行祖先区域重建，并通过生物地理随机映射（BSM）分析扩散事件。

研究结果揭示了灌木柳复杂的系统发育关系和演化历史。

3.1. RAD测序数据集

研究人员获得了包含67,654个RAD位点和764,003个SNP的数据集，平均每个样本保留6,928个RAD位点，缺失数据比例为87.83%。这一高质量的基因组数据集为后续分析奠定了坚实基础。

3.2. 系统发育关系和遗传结构分析

研究结果显示，几乎所有物种都呈现单系性，仅有少数例外可能源于错误鉴定或异源多倍体起源。系统发育树揭示了四个主要分支：泛喜马拉雅分支（PH clade）、北美分支（NA clade）和两个欧亚分支（Eurasian clades I和II）。广泛分布的环极物种在欧亚和北美分支之间形成了一个杂交等级（hybridogenetic grade）。

遗传聚类分析显示，泛喜马拉雅分支的个体（除S. disperma外）共享较高的遗传祖先比例，形成 distinct 的聚类。欧亚分支I中的S. purpurea s.l.亚支和Helix sect. Cheilophilae成员各自形成均匀的聚类。欧亚分支II中，Sect. Vetrix和Sect. Vimen s.l.各自形成 uniform 的聚类，而高多倍体物种则显示复杂的混合模式。

3.3. 定年系统发育和祖先区域重建

基于 penalized likelihood 方法的定年分析显示，Vetrix分支的冠部年龄为35.7 Ma（百万年）。泛喜马拉雅分支约在32 Ma前从其他分支分离并开始多样化，欧亚分支I和II分别于30.4 Ma和27.7 Ma前开始多样化，北美分支（包括广布种S. reticulata）的年龄约为22 Ma。

生物地理重建结果表明，灌木柳可能起源于亚洲C区（南部亚洲，包括泛喜马拉雅地区）并在晚始新世开始多样化。泛喜马拉雅分支在亚洲C区起源和多样化；欧亚分支I可能起源于欧洲（A区）或亚洲（C区）；欧亚分支II起源于欧洲（A区）；北美分支在北美西部（D区）开始多样化，随后向东和向南迁移。

研究还发现，北极柳树谱系的物种形成时间早于对高纬度的适应，这与化石记录一致。小而轻的风传播种子使灌木柳能够在中新世扩张的北极苔原地区殖民，并在末次盛冰期（LGM）后重新殖民。

4.1. 方法学考虑

研究人员认识到，古代和近代的杂交、基因渗入和多倍体化给关键节点的解析带来了不确定性。他们通过使用PhyloFusion混合网络可视化矛盾的分支，并发现“环极等级”等类群可能具有杂交起源。尽管网状进化历史使生物地理重建复杂化，但四个主要分支的稳定性为重建关键生物地理事件提供了可靠框架。

4.2. 四个主要分支内的系统发育关系

研究证实了先前关于四个主要分支的发现，并提供了更多细节。泛喜马拉雅分支形成了一个遗传均匀的谱系；欧亚分支I和II内的关系与先前研究一致；北美分支内的系统发育关系反映了最近的发现，早期分支显示出高度的基因混合。

4.3. 主要分支的时空演化

研究表明，灌木柳可能起源于晚始新世的亚洲地区，其多样化与渐新世全球冷却同步。与其他木本植物谱系相比，灌木柳相对年轻，这可能源于其生态特化：灌木柳预适应了后来出现的开阔苔原栖息地。

4.3.1. 泛喜马拉雅地区

泛喜马拉雅分支的多样化发生在早中新世，很可能由喜马拉雅山的快速抬升和沿海拔梯度产生的许多新栖息地驱动。该分支 exclusively 分布在亚洲C区，证实了该地区的辐射现象。

4.3.2. 欧亚大陆

欧亚分支I和II的祖先起源于亚洲或欧洲。研究表明，灌木柳的祖先在23 Ma前就已存在于欧洲。两个欧亚分支都显示出从欧洲向 Siberia 和亚洲的迁移和扩散事件，随后在各自地区形成物种。

4.3.3. 北极地区

研究表明，北极柳树谱系的起源时间约为12 Ma，表明大多数北极柳树谱系比它们所栖息的北极生态区要古老得多，而对寒冷栖息地的适应（如耐寒性、矮灌木生长）可能较晚才进化。北极-高山适应多次独立进化，进一步促进了区域辐射。

4.3.4. 北美地区

研究清楚地表明，大多数北美谱系有 single origin，随后在北美分支内发生多样化。北美分支的多样化发生在约20-15 Ma前。研究人员还观察到北美分支内几种系统发育姐妹种对呈现东西分布格局，这可能源于异域物种形成。

研究的结论部分强调，谱系特异性研究对于理解全北界物种的复杂历史至关重要。研究表明，灌木柳的谱系分化发生在北极苔原栖息地建立和更新世气候振荡之前。适应寒冷的灌木柳随后殖民了新出现的北部栖息地，其小而易于传播的种子使它们能够 across 环极地区扩张。研究还表明，Vetrix分支内的多样化起源于多个中心，并随着中新世全球变冷后北极-高山栖息地的扩张而促进。除了地质过程（如山脉抬升）外，杂交和多倍体化进一步促进了物种多样性的增加。

这项研究不仅揭示了柳属灌木的演化历史，为了解高纬度地区植物多样性形成机制提供了重要见解，也为研究其他具有类似分布模式的植物类群提供了方法论参考。研究人员通过对全球尺度样本的系统分析，展示了如何整合现代基因组学技术、生物地理学分析和化石证据来重建植物类群的演化历史，为未来相关研究树立了标杆。