基于微卫星标记的高加索苹果遗传多样性及空间遗传结构研究：以伊朗扎格罗斯与希尔卡尼森林为例

《BMC Ecology and Evolution》：Genetic diversity and spatial genetic structure of Caucasian apple (Malus orientalis Uglitzk.) populations based on microsatellite markers for conservation strategy

本研究针对高加索苹果(Malus orientalis)这一具有重要生态与经济价值的野生近缘种，在面临生境破碎化威胁的背景下，利用26个微卫星(SSR)标记对来自伊朗扎格罗斯山脉和希尔卡尼森林20个种群的167个个体进行遗传分析。研究揭示了该物种较高的遗传多样性(平均等位基因数5.25，期望杂合度HE=0.74)，识别出三个主要遗传簇和两个显著遗传屏障，并发现种群间基因流(Nm=0.6)有限。基于等位基因丰富度和私有等位基因分析，确定了希尔卡尼森林的Siamarzkoh、Tokestan、Abesk、Asalem地区及扎格罗斯森林的Sepedkoh地区为优先保护单元。该研究为制定高加索苹果的科学保护策略提供了关键遗传学依据。

　　

在欧亚大陆的森林中，生长着一种看似普通却至关重要的树木——高加索苹果(Malus orientalis Uglitzk.)。它不仅为当地乡村社区提供营养丰富的水果，被认为是栽培苹果(Malus domestica)的祖先之一，更是野生动物的重要食物来源和庇护所。然而，这种具有重要生态和经济价值的物种正面临着生境破碎化、过度采伐和气候变化等多重威胁。特别是在伊朗，其自然分布区沿着古老的丝绸之路贸易路线，主要集中在扎格罗斯山脉和希尔卡尼森林这两个生态特征迥异的区域。了解这些种群的遗传背景，对于制定有效的保护策略至关重要。

为了揭示高加索苹果的遗传多样性现状和空间分布格局，Hamid Bina及其合作者在《BMC Ecology and Evolution》上发表了他们的研究成果。研究人员跨越伊朗两大主要森林区域，系统采集了167个高加索苹果个体样本，其中扎格罗斯森林35个，希尔卡尼森林132个（包括西部5个、中部60个和东部67个）。研究团队采用了多学科交叉的方法，既分析了6个叶片数量形态性状来评估表型变异，又运用了26个微卫星(SSR)标记进行高分辨率的遗传分析。

主要技术方法包括：利用SSR标记进行基因分型并计算遗传多样性参数（等位基因丰富度Ar、私有等位基因Ap、观察杂合度H_O、期望杂合度H_E）；通过STRUCTURE软件分析种群遗传结构；采用BARRIER软件识别遗传屏障；使用CIRCUITSCAPE评估地形对基因流的影响；通过AMOVA分析分子方差；以及利用DIVA-GIS进行保护单元优先区分析。

遗传多样性分析

研究结果显示，26个SSR位点共检测到455个等位基因，全部具有多态性。高加索苹果种群表现出较高的遗传多样性，平均等位基因数为5.25，平均观察杂合度(H_O)和期望杂合度(H_E)分别为0.69和0.74。希尔卡尼森林种群的遗传多样性普遍高于扎格罗斯森林种群，如Vaz和Sangdeh Sari地区的H_O高达0.85，而扎格罗斯森林的Doroud和Nozhyan地区H_O仅为0.44。种群的平均等位基因丰富度(Ar)为0.21，私有等位基因丰富度(Ap)为0.65。

种群结构与遗传分化

STRUCTURE分析表明，当K=5时，种群结构最清晰地反映了地理分布模式，将高加索苹果分为五个遗传簇。扎格罗斯森林的Nozhyan、Doroud和Sepedkoh种群（紫色簇）与其他种群明显分离，而Marivan、Saghez和Buflo种群与希尔卡尼森林种群聚类（蓝色簇）。主成分分析(PCA)结果与STRUCTURE分析一致，PC1和PC2分别解释了总遗传变异的5.71%和4.32%。

分子方差分析(AMOVA)显示，80%的遗传变异存在于个体内，种群间变异占8%，而扎格罗斯森林和希尔卡尼森林两组群间的变异仅占4%，表明大部分遗传多样性存在于种群内部。

基因流与遗传屏障

基因流分析显示，高加索苹果种群间存在中等水平的基因流(Nm=0.6)。Gorgan种群（希尔卡尼森林东部）是外来等位基因变异的主要来源，向Mazandaran、Gilan（希尔卡尼森林）和Kordestan（扎格罗斯森林）种群有较强的基因流。然而，扎格罗斯森林内部种群间的基因流极为有限，表明确实存在遗传隔离。

BARRIER分析识别出两个显著的遗传屏障（自助支持率90%）：一个位于希尔卡尼森林的Sheshab、Siamarzkoh和Arsam种群与其他种群之间；另一个隔离了扎格罗斯森林的Nozhyan种群。这些屏障与地形复杂性分析结果一致，表明地理障碍是限制基因流的重要因素。

形态变异分析

叶片形态性状分析揭示了种群间的显著表型差异。Siamarzkoh种群在叶面积和叶长方面变异最大，而Vatna种群在叶宽（叶长的0.1和0.9处测量）方面变异最大。方差分析(ANOVA)表明，Buflo种群（扎格罗斯森林）的叶柄长度与其他种群存在显著差异。

保护单元确定

基于遗传多样性分析和保护单元选择算法，研究确定了高加索苹果的优先保护区域。在希尔卡尼森林，Toskestan、Siamarzkoh、Abesk（Gorgan省）和Asalem（Gilan省）因具有高遗传多样性和独特等位基因被列为第一优先级保护单元；Sangdehsari和Vaz（Mazandaran省）为第二优先级。在扎格罗斯森林，Sepedkoh（Lorestan省）为第一优先级保护单元，Buflo、Sagez和Nozhyan（Kordestan省）为第二优先级。

本研究系统评估了高加索苹果在伊朗两大森林生态系统中的遗传多样性格局和空间遗传结构。结果表明，尽管该物种整体上保持较高的遗传多样性，但种群间基因流受限，存在明显的遗传分化和地理隔离。历史上丝绸之路可能促进了种质交流，但当前生境破碎化已成为影响种群连通性的主要因素。

研究强调，保护高加索苹果的遗传资源需要重点关注希尔卡尼森林的四个关键区域（Siamarzkoh、Tokestan、Abesk、Asalem）和扎格罗斯森林的一个区域（Sepedkoh）。这些区域不仅具有高遗传多样性，还位于遗传屏障附近，对维持物种的进化潜力至关重要。建立生态廊道、减少人为干扰和实施就地保护措施将是保护这一珍贵物种遗传资源的有效策略。

该研究不仅为高加索苹果的保护提供了科学依据，也为其他野生近缘种树的保护遗传学研究提供了方法论参考。在全球变化背景下，这种基于遗传数据的保护优先区划分方法，对于制定有针对性的物种保护策略具有重要指导意义。