探索超级优势种Brachypodium rupestre在高山草地扩张三阶段的基因组多样性与繁殖策略

《Biological Invasions》：Exploring genomic diversity and reproductive strategies in three expansion phases of the superdominant Brachypodium rupestre in high mountain grasslands

本研究针对全球变化背景下高草扩张对自然植物群落的威胁，以欧洲本土多年生高草Brachypodium rupestre为模型，通过ddRADseq技术分析其在放牧、弃耕和火烧三种管理模式下九种扩张阶段的基因组结构和繁殖策略。研究发现尽管存在显著的克隆繁殖，所有种群均保持较高的基因组多样性，且种群分化主要受生活史和空间隔离驱动而非管理方式。该研究为理解干扰机制对植物种群进化轨迹的影响提供了基因组学证据。

　　

在全球变化背景下，高草在自然植物群落中的扩张已成为生态学领域关注的焦点问题。这种扩张现象主要由群落脆弱性和高草物种的竞争能力驱动，在欧洲西部比利牛斯山脉的高山草地中，Brachypodium rupestre（Host）Roem. and Schult. 的侵略性扩散尤为显著。这种多年生高草在缺乏草食动物和反复火烧的干扰机制下，正以前所未有的速度改变着高山草地的生态格局。

传统上，火烧和草食动物干扰是维持开放生态系统平衡的关键因素，它们通过促进禾本科植物的生长和影响其生存机制来塑造植物群落组成。然而，当这些干扰机制失衡时，就会导致石灰岩草地的退化，威胁其丰富的生物多样性。在比利牛斯山脉西部地区，牲畜养殖的减少和为管理植被积累而进行的反复火烧（每1-3年一次）已持续数十年，直接促进了B. rupestre的扩张。这种扩张呈现出明显的阶段性特征：在适度放牧条件下，B. rupestre覆盖率低于25%，形成分散的小簇群；在放牧压力减少的区域，它们发展为覆盖25-70%的斑块种群；而在弃耕且频繁火烧的地区，则形成覆盖率超过70%的超优势种群，导致常见草地物种的 displacement 和生物多样性丧失。

为了探究不同干扰机制对B. rupestre种群基因组结构和多样性的影响，研究人员开展了一项综合性的研究。该研究通过分析九处不同B. rupestre覆盖度的样地，涵盖了三种扩张阶段（分散种群、斑块种群和超优势种群），结合生殖性状调查和ddRADseq基因组分析，旨在揭示管理实践如何影响该物种的繁殖策略和基因组构成。

研究方法主要包括生殖特性分析、基因组大小测定、ddRADseq文库构建和种群基因组分析。研究人员在2020年6月建立了141米样线，在每个种群中设置了30个1×1米样方，收集了所有个体的圆锥花序进行种子计数和萌发率测定。同时，在每个样地采集了9-12株植物样本，用于基因组分析。通过流式细胞术测定基因组大小，利用ddRADseq技术获得高质量的单核苷酸多态性（SNP）数据，并采用多种生物信息学工具（如IQTREE2、ADMIXTURE、POPPR等）进行系统基因组树构建、种群结构分析和克隆性检测。

生殖投资分析结果

研究共从270平方米的样地中收集了2360个圆锥花序，提取了4139粒种子。广义可加模型分析显示，种子数量随B. rupestre覆盖度的增加呈非线性变化，且在不同扩张阶段间存在显著差异。斑块种群（P）的种子产量最高（24.2粒/平方米），而分散种群（S）最低（2.8粒/平方米）。超优势种群（I）的种子产量介于两者之间（19.0粒/平方米），但每圆锥花序种子数和萌发率在各扩张阶段间无显著差异。

基因组分析结果

流式细胞术和nQuack分析确认所有研究的90个个体均为异源四倍体（2n=4x=28）。ddRADseq分析产生了超过4.47亿条双端 reads，经过滤后获得50，286个SNP位点用于后续分析。最大似然系统基因组树显示，B. rupestre种群存在明显的地理分化，西部Urkulu种群形成一个高度支持的分支（100% BS），而中部和东部种群形成另一大支。然而，ADMIXTURE分析显示最佳的遗传分组为K=2，且所有个体均表现出广泛的基因混合，表明种群间存在显著的基因流。

基因组多样性

所有种群的预期杂合度（H_S）非常相似（0.243-0.272），表明整体基因组多样性水平较高。观察杂合度（H_O）略有变化（0.180-0.222），近交系数（F_IS）均为显著正值（0.183-0.324），自交率较低（整体s=0.384），支持该物种主要为异交繁殖系统。分子方差分析（AMOVA）显示92.37%的变异存在于种群内部，而不同扩张阶段间的变异不显著。

克隆性分析

基于378，959个SNP的未过滤数据集，在90个个体中检测到67个多位点谱系（MLL）。超优势种群具有最多的MLL数量（26个），而分散种群和斑块种群的MLL数量较少。所有种团的标准化关联指数（r_d）均显著偏离零，支持克隆繁殖的存在。克隆丰富度在种群间存在差异，斑块种群（如Errozate-P1和Orion-S2）的克隆丰富度最低（R=0.556）。

研究结论与意义

本研究揭示了B. rupestre在高山草地扩张过程中的复杂繁殖策略和基因组动态。尽管存在显著的克隆繁殖，所有种群均保持较高的基因组多样性，主要得益于风媒传粉和缺乏地理屏障促进的基因流。与初始假设相反，不同干扰机制（放牧、弃耕、火烧）并未导致扩张阶段间形成明显的基因组身份分化，种群遗传分化和 divergence 主要是生活史和空间隔离的结果。

研究结果强调了历史干扰机制在 shaping 植物种群进化轨迹中的重要性。在放牧条件下，草食动物通过减少有性繁殖结构和促进种子传播，间接维持了遗传多样性；而在频繁火烧的超优势种群中，克隆繁殖和有性繁殖的共存创造了复杂的基因型和克隆变异模式。这种繁殖策略的灵活性可能是B. rupestre在各种环境条件下成功扩张的关键因素。

该研究不仅为理解干扰机制对植物种群基因组结构的影响提供了新见解，也为高山草地的保护和管理提供了科学依据。研究结果提示，单一的管理策略可能不足以控制超级优势种的扩张，而需要综合考虑历史干扰 regime、基因流动态和繁殖策略的相互作用。研究发表在《Biological Invasions》杂志，为入侵生物学和保育生态学领域提供了重要的案例研究。