基因组分析揭示濒危植物费氏马先蒿种群结构并为保护行动提供指导

《Conservation Genetics》：Genomic analysis reveals population structure and guides conservation actions of the endangered plant, Pedicularis furbishiae (Orobanchaceae)

本刊推荐：为应对栖息地破碎化和种群衰退危机，研究人员开展费氏马先蒿(Pedicularis furbishiae)全基因组测序与简化基因组测序(GBS)研究。通过构建首个参考基因组（3.2Gbp，BUSCO完整度88%）并对69个个体进行152个SNP分析，揭示该物种存在四个遗传隔离种群（缅因州1个、新不伦瑞克省3个），整体遗传多样性低（π=0.030）且部分种群近交系数升高(Fis=0.32-0.49)。研究首次发现各亚群均存在私有等位基因，为通过种子银行、迁地保护和跨种群人工授粉等遗传拯救策略提供了关键科学依据。

　　

在北美圣约翰河（沃拉斯托克河）沿岸的冰蚀河岸上，一种名为费氏马先蒿(Pedicularis furbishiae)的珍稀植物正面临生存危机。这种半寄生多年生植物被誉为"拉撒路类群"，曾在20世纪被宣布灭绝后又奇迹般地被重新发现。然而近年来，由于水坝建设、水文改变和栖息地破碎化，尤其是加拿大新不伦瑞克省的多个亚种群相继灭绝，使得该物种的生存再次岌岌可危。2025年的普查显示，新不伦瑞克省的梅德福亚种群仅剩1个个体，斯提尔特保护区也只有3个存活植株。

这种植物具有独特的生态特性：它专性依赖熊蜂(Bombus vagans)进行异花授粉，种子通过漂浮的花茎向下游传播，需要在不断变化的冰蚀河岸生境中维持"动态闪烁"的集合种群动态。然而，当代气候变化导致的冬季洪水加剧和仲冬降雨事件增多，正在破坏其赖以生存的生态平衡。更严峻的是，早期同工酶研究曾显示该物种缺乏遗传多态性，这给保护工作带来了极大不确定性。

为解决这一困境，由Dawson M. White领衔的国际研究团队在《保护遗传学》(Conservation Genetics)上发表了突破性研究。研究人员首次完成了费氏马先蒿的参考基因组组装，并采用简化基因组测序(GBS)技术对来自全部主要亚种群的69个个体进行基因分型。他们利用牛津纳米孔技术进行长读长测序（产生65Gbp数据，平均读长7kb），结合Illumina短读长测序（750M读对），通过Flye组装器和Pilon抛光流程最终获得3.2Gbp的基因组草图。针对GBS数据，团队采用STACKS流程进行SNP calling，并通过严格的过滤标准（MAC≥4，最小深度≥6，缺失数据<60%）获得152个高质量SNP位点。

种群结构分析揭示地理隔离模式

通过ADMIXTURE分析发现，当K=4时交叉验证误差最低，表明存在四个遗传集群：缅因州的四个亚种群（1ME-BB、2ME-CA、3ME-PB、4ME-DB）形成一个遗传单元，而新不伦瑞克省的三个亚种群（5NB-GF、6NB-MD、8NB-BF）各自独立。主坐标分析（PCoA）前两个轴解释了35%的遗传变异，清晰分离了新不伦瑞克省的三个亚种群。

遗传分化与多样性特征

pairwise F_st分析显示，缅因州与新不伦瑞克省亚种群间分化显著（F_st=0.18-0.37），其中8NB-BF与6NB-MD亚种群间分化最高（F_st=0.22-0.36）。遗传多样性整体较低，全基因组杂合度为4.47×10^-4，但各种群均保留私有等位基因（缅因州40个，5NB-GF种群18个）。近交系数在格兰德福尔斯（5NB-GF，F_is=0.32-0.49）和梅德福（6NB-MD，F_is=0.26-0.44）种群中显著升高。

历史种群动态重建

PSMC分析表明，该物种有效种群大小在末次盛冰期期间从约17,000下降至2,800，此后一直维持在较低水平。

研究结论指出，费氏马先蒿在缅因州仍保持集合种群功能，而新不伦瑞克省的种群连通性已彻底崩溃。值得庆幸的是，所有亚种群都保留独特的遗传成分，这为遗传拯救策略提供了科学依据。目前，加拿大自然资源部已启动保护计划，通过 cryogenic保存种子、建立安全田间基因库

以及人工控制杂交等方式开展迁地保护。该研究不仅为费氏马先蒿的保护提供了基因组学基础，也为其他栖息地专性物种的保护树立了典范，证明即使遗传多样性极低的物种，通过科学的遗传管理也能避免灭绝命运。