地理邻近的稀有Homoranthus物种在维持种内遗传多样性的同时表现出强烈的种群分化

《Annals of Botany》：Geographically proximate rare species exhibit strong population divergence while maintaining intraspecific genetic diversity in Homoranthus (Myrtaceae)

本研究针对澳大利亚特有、分布范围极度狭窄的Homoranthus属植物面临的保护挑战，利用DArTseq技术对13个物种（包含10个狭域特有种）的282个个体进行全基因组SNP分析。研究发现，即使地理距离仅数公里，各物种间及种群间均存在强烈的遗传隔离（FST> 0.3），种群分化可在数百米内发生。尽管存在显著的近交现象（FIS= 0.176–0.474），但观测杂合度（HO= 0.137–0.248）保持中等水平，且遗传多样性与分布范围大小（EOO）无显著相关性。研究还发现了一个新的隐存种Homoranthus sp. Torrington，并测得该属植物基因组大小普遍较小（平均~295 Mbp）。研究揭示了生态隔离、生活史性状和有限扩散能力共同驱动了该属的物种分化与灭绝风险，强调了在保护策略中需同时关注物种保护和生态连通性。

　　

在演化生物学和保护科学中，那些地理分布范围极其狭窄的物种——即狭域特有种——既带来了独特的挑战，也提供了宝贵的研究机会。这类物种通常以小而孤立的种群形式存在，这加剧了遗传漂变、近交以及遗传多样性的丧失，最终增加了灭绝的风险。它们也容易受到干旱、火灾或栖息地改变等随机干扰的威胁，这些干扰可能迅速危及种群的生存能力。然而，这些类群往往具有某些特性或机制，使其能够在种群数量压力下持续存在，例如耐受近交或清除有害等位基因的能力。理解导致这些物种出现并使其得以生存的演化过程，对于保护生物学和完善种群持久性模型都具有重要意义。

岩石露头物种是狭域特有种中特别有趣的一个亚类，它们局限于露头、其裂缝及紧邻的周边环境。澳大利亚的Homoranthus属（桃金娘科）便是这样一个例子。花岗岩和砂岩露头常常形成镶嵌在更广阔景观中的适宜栖息地“岛屿”，作为演化的熔炉，促进隔离、遗传漂变和局部适应。岩石露头上贫瘠的土壤和极端的小气候限制了定殖，并创造了空间上离散的生态位；在演化时间尺度上，这些条件可以驱动并行多样化和高水平的内生性。对于由活动范围受限的无脊椎动物授粉的虫媒、专性种子繁殖物种而言，这种隔离效应尤为显著，这进一步降低了种群间的连通性。因此，岩石露头物种通常表现出异常狭窄的分布范围和斑块化的分布格局，这反过来又提高了它们的灭绝风险。

澳大利亚的Homoranthus属是大陆上分布范围最受限的植物类群之一，许多物种被限制在极小的斑块内，并被正式列为受威胁物种。该属包含32个澳大利亚大陆特有种，其显著特点是在地理上非常接近的区域内有异常高密度的狭域特有种共存。虽然有些物种如H. virgatus和H. flavescens分布相对较广，但大多数Homoranthus物种天然稀有，并根据州或联邦立法被列为受威胁物种。许多（但非全部）狭域特有种局限于岩石露头，而另一些则占据开阔森林中的深厚沙质土壤。这种生态变异使得Homoranthus成为检验基质特异性、地理隔离和生活史性状在驱动分化中作用的极具价值的属。

尽管具有重要的保护意义和生态研究价值，Homoranthus物种的演化关系和遗传多样性仍然知之甚少。先前的研究主要集中于形态学和细胞学性状，关于物种形成、遗传漂变和历史连通性如何塑造物种内和物种间多样性的问题仍有待解答。

在这项发表于《Annals of Botany》的研究中，研究人员采用多物种群体基因组学方法，调查了来自昆士兰和新南威尔士边境区域（Homoranthus稀有物种热点地区）的13个Homoranthus物种的遗传结构、多样性和基因流。其中十个研究物种是分布高度受限的特有种，大多与岩石露头相关，并在州或联邦层面被列为受威胁物种。研究人员将这些物种与三个分布较广的同属物种进行对比，以评估范围限制是否与遗传多样性和近交相关；评估隔离种群间的连通性；并评估这些基因组模式是否能为指导针对狭域特有种特定生态和演化背景的保护策略提供信息。

为开展研究，研究人员主要应用了以下几项关键技术：研究人员对研究区域内9个目标Homoranthus物种的野生种群进行了叶片组织采样，共获得282个个体的样本，并利用DArTseq（一种基于限制性酶切和Illumina短读长测序的简化基因组测序技术）进行基因分型，获得全基因组范围的SNP数据。利用空间分析计算了物种的分布面积（AOO）和发生范围（EOO）。对获得的基因型数据进行严格过滤后，使用多种生物信息学方法进行分析，包括用于评估遗传聚类和可视化的t-SNE降维分析，用于推断种群结构和祖先成分的ADMIXTURE分析，用于构建系统发育关系的最大似然法（RAxML）以及用于可视化遗传距离关系的邻接网络。同时，计算了种群间的遗传分化指数（F_ST）、观测杂合度（H_O）、期望杂合度（H_E）和近交系数（F_IS）等遗传多样性统计量。此外，还通过流式细胞术估算了部分物种的基因组大小。

遗传分化与物种界限

基因组分析结果一致支持所研究的Homoranthus物种具有独特性，尽管它们地理上非常接近（通常在几十公里内）。系统发育网络、t-SNE聚类、ADMIXTURE分析和RAxML系统发育重建均显示所有物种都存在强烈的遗传分离。

RAxML树揭示了与大多数形态学上认可的物种相对应的、支持度良好的进化枝。地理上接近的物种通常是相互单系群。几个物种，如H. croftianus、H. lunatus和H. binghiensis，包含对应于亚种群的明显进化支，这与其他分析中观察到的种群结构一致。

一个先前被认为是H. lunatus的不连续种群（Torrington种群）表现出独特的形态和遗传特征，被确认为一个新物种（文中称为Homoranthus sp. Torrington），它是H. binghiensis的姐妹群。

种群分化与基因流

种群分化非常强烈。距离超过5公里的种群之间（即使是同一物种）F_ST值大于0.3，且没有有意义基因流的证据。虽然距离小于2公里的种群之间分化较低（F_ST< 0.22），但在这些较短距离上仍然存在明显的遗传隔离。值得注意的是，在超过5公里的距离上，同一物种不同种群间的F_ST值与不同物种之间的F_ST值相当。

遗传多样性、近交与范围大小

遗传多样性估计表明，所检查的每个Homoranthus物种的种群内部都存在强烈且显著近交（F_IS= 0.176–0.474, p < 0.001），这代表了与哈迪-温伯格平衡的显著偏离。尽管如此，观测杂合度总体上保持中等水平（H_O= 0.137–0.248），表明尽管存在近交影响，种群内仍保留了可测量的遗传多样性水平。

十个分布区受限的Homoranthus物种的EOO小于新南威尔士州99%的其他植物物种，所有物种的EOO均小于70 km2，AOO也非常小。没有检测到多位点杂合度（MLH）与EOO之间、或近交系数（f）与EOO之间存在统计学显著关联，表明当前分布范围对这些物种的遗传多样性或近交程度变异解释力有限。

基因组大小

所评估的Homoranthus物种的基因组大小总体非常小（平均大小约295 Mbp），但物种间差异显著；H. papillatus（268 Mbp）和H. melanostictus（346 Mbp）之间的基因组大小差异超过30%。

讨论与结论

本研究首次对Homoranthus属进行了种群基因组评估。研究发现，地理隔离在该属遗传分化和谱系形成中起着核心作用，物种形成是一个持续的、空间结构化的过程。这种分化模式反映了极其有限的扩散能力，这受到内在生物学性状（如授粉昆虫活动范围短、种子通过蚂蚁传播仅1-2米）和外在环境障碍（如作为生态岛屿的岩石露头）的共同制约。尽管存在强烈的遗传漂变（由小种群规模和高度近交导致），但遗传多样性得以保留，这可能得益于其长寿、重叠世代、高种群密度、持久土壤种子库等种群持久性性状，这些性状可以降低个体间的亲缘关系，维持有效种群大小，从而减缓遗传多样性的流失。同时，显著的形态和生态分化表明自然选择也发挥了重要作用，作用于火响应、土壤 specialization、生长习性和授粉等多个轴。

一个有趣的发现是Homoranthus具有非常小的基因组（相对于被子植物中位数基因组大小3,326 Mbp）。小基因组可能与更快的发育、更灵活的生活史以及对干扰的耐受性相关，这可能有利于其在岩石露头等短暂或异质性微生境中持续存在。这与种群遗传学理论（小有效种群规模应通过漂变导致基因组扩大）形成了看似矛盾的现象，暗示了在花岗岩露头生态位中对紧凑基因组的强选择压力。

Homoranthus的精细尺度内生性可能只代表了历史多样化事件的一部分。在扩散有限和栖息地斑块化的系统中，种群隔离和分化很常见，但并非所有此类事件都能导致长期持续。研究结果强调，物种形成和灭绝风险在Homoranthus中是紧密相连的，两者在相同的生态和演化约束下展开。这提出了一个核心保护困境：是优先保护自然演化过程，还是直接干预以防止物种丧失？

研究表明，Homoranthus物种即使很短距离也表现出基因流受限。这种不良的连通性意味着进一步的栖息地破碎化或干扰可能导致由于近交、漂变和多样性丧失增加而造成不成比例的遗传损失。因此，保护策略必须明确考虑这些物种的遗传结构和种群敏感性。任何对关键生态过程（如授粉者可用性、种子库持久性、补充动态）的干扰都将产生长期的遗传后果。火灾制度尤其需要谨慎管理。在高度结构化和遗传隔离的系统中，促进隔离种群之间的基因流（如辅助迁移或管理下的杂交）代表了一种可能的前瞻性保护干预措施，可以增加遗传多样性和适应性，但需谨慎进行。

总之，这项研究揭示了空间隔离和生活史性状之间的相互作用如何共同塑造植物谱系的演化韧性和脆弱性。在Homoranthus中，驱动物种形成的相同生态和遗传因素（如有限的扩散能力和强烈的栖息地特异性）也增加了灭绝的风险。这些模式表明，狭域特有现象并非总是源于罕见或特殊事件，而可能是产生和维持分布区受限物种的持久、可重复过程的可预测结果。更广泛地说，这些发现加强了将种群基因组学整合到保护实践和分类学中的价值。在破碎化和高度结构化的系统中，保护演化韧性需要在精细空间尺度上维持连通性、适应生态过程并认识遗传独特性的策略。