从基因组学到驯化：新热带棕榈Acrocomia aculeata和Acrocomia total的生物文化历史研究

《Annals of Botany》：From genomics to domestication: biocultural history of the Neotropical palms Acrocomia aculeata and Acrocomia totai

本研究针对具有重要生物能源潜力的新热带棕榈Acrocomia aculeata和A. total，通过ddGBS技术分析85个A. aculeata和11个A. total个体的全基因组SNP，结合生态位模型、考古植物学和民族志数据，揭示了九个高度分化的遗传群体，证实了中美洲和南美洲两大基因库的存在，并发现了与油脂代谢、矮化性状相关的驯化基因，为可持续生物燃料发展和公正能源转型提供了科学依据。

　　

在追求可持续能源的时代，一种名为Acrocomia的新热带棕榈属植物正引起科学界的广泛关注。这些被称为"绿色黄金"的物种，特别是Acrocomia aculeata（俗称macauba、coyol）和Acrocomia total（俗称Mbocaya），具有与非洲油棕相媲美的高含油量，成为生物柴油生产的理想候选者。更令人惊喜的是，它们能在从茂密森林到退化干旱区的过渡地带茁壮成长，显示出巨大的生态恢复潜力。

然而，尽管这些棕榈物种具有重要经济价值，其基因组结构和驯化历史却鲜为人知。长期以来，科学家们对A. aculeata的驯化起源存在争议：一种假说认为它起源于墨西哥，然后传播到南美洲；另一种假说则提出南美洲起源并向北扩散到中美洲。这些争论主要基于考古植物学记录和生态证据，缺乏基因组数据的支持。

为了解决这些科学问题，由Eduardo Antonio Monge-Castro和Maria Imaculada Zucchi领导的研究团队在《Annals of Botany》上发表了这项开创性研究。研究团队采用多学科方法，整合基因组学、生态学和考古学证据，旨在揭示这两种棕榈的遗传多样性格局、生物地理历史以及人类驯化过程。

研究人员运用双消化基因分型测序(ddGBS)技术对来自九个国家的96个样本（85个A. aculeata和11个A. total）进行全基因组SNP分析。通过稀疏非负矩阵分解(sNMF)、主成分判别分析(DAPC)和邻接法(NJ)评估种群结构，并利用生态位模型重建更新世时期的物种分布。此外，通过四种方法（pcadapt、bayeScan、fsthet和LFMM）检测选择信号，并对异常SNP进行功能注释。考古植物学数据被用来关联遗传模式与人类使用历史。

种群遗传结构揭示高度分化格局

研究发现Acrocomia物种存在高度遗传分化，形成了九个明显的遗传群体。中美洲地区包括Mesoamerican、Costa Rican和Panamanian三个群体，而南美洲则显示出更为复杂的结构，包括Roraima、Amazonas、Maranhao、Mineiro和Southeast五个群体。A. total作为一个独立的物种形成了明显的遗传簇。

pairwise F_ST分析显示中美洲和南美洲群体间存在极高分化（F_ST > 0.6）。基因流(Nm)网络分析表明，Roraima群体与其他群体遗传交换有限，而南美洲东南部群体内部存在较强连通性。遗传多样性分析显示南美洲群体具有更高多样性，特别是Southeast群体，而中美洲群体多样性相对较低。

选择信号揭示驯化相关基因

通过基因组扫描，研究人员在A. aculeata中鉴定了大量受选择SNP。综合分析发现，中美洲和南美洲群体具有不同的选择特征，表明可能存在独立的驯化路径。

中美洲群体中，异常SNP位于与疾病抗性、矮化性状和果实发育相关的基因中，如锌指蛋白NUTCRACKER（ZFP-NUT）、推定疾病抗性蛋白RGA3、细胞壁乙酰化还原酶3（RWA）和ABC转运蛋白B家族成员20（ABCB）。这些基因与中美洲地区传统的Milpa农业系统中对棕榈的管理和利用历史相吻合。

南美洲群体中，选择信号主要集中在与油脂代谢、果实生物量和转录调控相关的基因，如GDSL酯酶/脂肪酶、三螺旋转录因子GT-3b和核糖核酸酶E/G样蛋白。这些基因与南美洲群体对油脂含量和果实产量的选择压力一致。

考古证据支持人类介导的扩散

研究收集了58个考古植物学记录，覆盖11个国家，其中66%为炭化内果皮残骸。最早的记录来自南美洲的Monte Alegre（巴西帕拉）和San Isidro（哥伦比亚），以及中美洲的Veracruz地区（墨西哥）。这些记录的时间与各地区最早的古印第安人 occupation 相吻合。

考古记录显示，A. aculeata在史前时期被广泛用于食品制备、工具制作和仪式活动。特别值得注意的是，在San Isidro地区的发现表明该物种可能通过人类活动扩散到其自然分布区之外。语言家族分布与遗传群体的关联分析进一步支持了人类在物种分布形成中的重要角色。

生态历史揭示分布动态

生态位模型显示，A. aculeata的适宜分布区在更新世至全新世期间经历了显著变化。最明显的分布区收缩发生在末次间冰期至末次盛冰期之间，随后从新仙女木期至今适宜生境逐渐扩张。巴西亚马逊地区在整个时期保持相对稳定的适宜性，而巴西Cerrado地区则经历了较大波动。

独立驯化路径与公正能源转型

研究表明，中美洲和南美洲的A. aculeata群体经历了不同的驯化轨迹，反映了当地人类群体的不同利用策略。中美洲群体更注重果实大小和矮化性状的选择，与酿酒和食品加工传统相关；而南美洲群体则更关注油脂含量和纤维质量，与提取式利用系统一致。

这些发现对推动"公正能源转型"（Just Energy Transition, JET）具有重要意义。研究强调，基于Acrocomia的生物能源发展必须认可并包含历史上与这些物种相关的传统社区，确保能源转型的真正可持续性和社会公正性。

这项研究不仅增进了我们对新热带棕榈进化历史的理解，还为可持续作物改良和生物能源发展提供了基因组资源。通过整合多学科证据，研究展示了生物文化进化的复杂图景，为未来在尊重传统知识的同时推动科技创新提供了重要范例。