青藏高原特有植物矮大黄（Rheum pumilum）的遗传分化与历史动态：揭示高原植物多样性形成机制的关键

为探究青藏高原（QTP）特有植物矮大黄（Rheum pumilum）对极端环境变化的适应及进化历程，研究人员利用叶绿体 DNA 片段开展系统发育地理分析。结果发现矮大黄遗传多样性高，存在显著地理隔离，其进化受地质和气候事件影响。该研究为理解 QTP 植物多样性形成机制提供依据。

　　

研究背景

青藏高原，作为世界屋脊，其独特的地理环境就像一座天然的 “进化实验室”。这里海拔极高，气候寒冷干燥，紫外线强烈，在这样极端的条件下，却孕育出了异常丰富的高山植物群落，成为全球生物多样性热点地区之一。在漫长的地质历史时期，青藏高原的快速隆升以及随后的第四纪冰期，如同大自然的 “大手”，深刻地塑造了这里植物的分布和遗传结构。

在第四纪冰期的冷暖交替过程中，植物们为了生存，有的选择 “逃避” 到更适宜的避难所，在冰期结束后再向外扩张；有的则坚守原地，在局部的微避难所中顽强生存。关于植物在青藏高原的避难模式，科学界一直存在多种观点。一种观点认为，植物会随着冰盖退缩到高原边缘，等气候转暖再向高原内部扩散，但这种模式可能导致高原上的种群遗传多样性降低；另一种观点则提出，部分植物种群可能留在高原上的微避难所，这些种群在后续的扩张中为高原带来了更高的遗传多样性。此外，还有一种新的 “位移避难所” 模型，它挑战了传统认知，认为一些高山植物在冰期可能会扩张，而在间冰期或冰期后反而收缩。

然而，尽管科学家们对青藏高原植物的进化进行了不少研究，但对于许多植物的进化历史，我们仍然知之甚少。矮大黄（Rheum pumilum），作为青藏高原特有的多年生草本植物，就像一把隐藏着高原植物进化秘密的 “钥匙”。它适应了高原的恶劣环境，却面临着诸多进化谜题：它的种群是如何响应青藏高原的隆升和气候变化的？在第四纪冰期的冷暖交替中，它又经历了怎样的生存变迁？这些问题的答案不仅有助于我们了解矮大黄的进化历程，还能为揭示青藏高原植物多样性的形成机制提供关键线索。为了揭开这些谜团，来自鲁东大学生命科学学院等研究机构的研究人员开展了一项针对矮大黄的深入研究，该研究成果发表在《BMC Plant Biology》上。

研究方法

研究人员为了深入探究矮大黄的进化奥秘，采用了多种关键技术方法。首先，他们在矮大黄的主要分布区域，包括甘肃、青海、西藏和四川等地，精心采集了 26 个种群的样本，这些样本基本覆盖了矮大黄的整个分布范围。然后，从样本叶片中提取总 DNA，通过选择 trnL-F、trnS-G 和 matK 这三个叶绿体 DNA 片段进行 PCR 扩增和测序。在数据分析阶段，运用多种软件进行序列比对、拼接和分析，计算遗传多样性指数、构建系统发育树、进行分子方差分析（AMOVA）等，还利用生态位模型（ENM）预测矮大黄在不同历史时期的潜在分布区域。

研究结果

1. 叶绿体序列特征和单倍型多态性：对 240 个个体的叶绿体片段测序分析后发现，trnL-F、trnS-G 和 matK 片段经组合得到 2725bp 的核苷酸矩阵，包含 68 个单核苷酸突变位点，共鉴定出 39 种单倍型。这些单倍型的分布呈现出明显的地理差异，不同地区的种群拥有不同的优势单倍型，有些单倍型仅在一个种群中出现，形成了类似 “高山岛屿” 的分布格局。从遗传多样性来看，矮大黄在物种水平上具有较高的单倍型多样性（Hd = 0.897）和核苷酸多样性（Pi = 0.00609），部分种群的多样性水平也较高，如分布在四川横断山脉的 SDG 种群12。
2. 遗传多样性和遗传结构分析：通过计算遗传多样性指数，发现矮大黄种群的总体遗传多样性（H_t = 0.910）显著高于种群内平均遗传多样性（H_s = 0.330），遗传分化系数（G_ST = 0.638，N_ST = 0.897，N_ST>G_ST）表明遗传差异与地理距离呈正相关。UPGMA 聚类分析、Structure 分析和 PCoA 分析都显示，地理距离相近的种群倾向于聚在一起，呈现出明显的 “南北” 分布模式。AMOVA 分析表明，矮大黄种群间的遗传变异占 84.50%，而种群内仅占 15.50%，这意味着种群间基因流极少，地理环境的差异对种群隔离起到了重要作用34。
3. 历史进化关系和地理分布模式：利用 NETWORK 软件构建的单倍型网络显示，39 种单倍型可分为两大主要分支，整体网络呈细长线性，没有典型的 “星型” 结构，这表明矮大黄近期可能没有经历快速扩张。基于 39 种单倍型序列构建的系统发育树也支持这一结论，并且发现矮大黄与Rheum sublanceolatum关系密切，Rheum kialense可能参与了矮大黄的起源，它们在进化过程中可能存在基因渗入56。
4. 种群历史动态分析：通过错配分布分析发现，矮大黄种群的错配分布曲线呈现双峰型，表明其没有经历扩张事件，目前种群相对稳定或逐渐衰退。对不同遗传关系的种群分组进行分析后发现，虽然部分北方种群（如青海、甘肃和四川西北部）可能经历过扩张，但未得到错配分布分析的支持，而西藏和川西的种群则明确拒绝了扩张假设78。
5. 单倍型分支分化时间估计：以Rheum likiangense与Rheum sublanceolatum以及Rheum likiangense与外类群Oxyria digyna的分歧时间为校准点，估算出矮大黄的属大约在 22.22 Ma（95% HPD：12.8 - 32.59 Ma）从其姐妹属分化出来，矮大黄的起源可追溯到约 11 Ma（95% HPD：5.2 - 17.13 Ma），其种内分化主要发生在晚中新世、上新世和更新世 - 全新世时期，这些时间点与青藏高原的隆升和气候变迁密切相关9。
6. 利用 ENM 重建矮大黄分布变化：利用 ENM 模型预测矮大黄在不同历史时期的潜在分布区域，结果表明，温度、湿度和海拔等环境因素对其分布影响显著。在末次盛冰期（LGM），矮大黄的适宜分布面积较大，随后在全新世中期、当前和未来（2060 - 2080）逐渐收缩和碎片化，这可能与冰川消退、海拔变化、季风气候模式改变以及人类活动和温室效应有关。矮大黄的分布变化符合 “位移避难所” 模型，即在冰期因栖息地海拔降低而扩张，在间冰期因栖息地碎片化而收缩1011。

研究结论与讨论

这项研究通过对矮大黄叶绿体基因片段的深入分析，全面揭示了其在青藏高原的遗传特征和进化历史。矮大黄呈现出 “高山岛屿” 式的地理分布模式，具有较高的遗传多样性和显著的地理结构，地理隔离在其进化过程中起到了关键作用。通过系统发育分析，研究人员推测Rheum kialense和Rheum sublanceolatum可能参与了矮大黄的起源，这为进一步研究矮大黄的多倍体起源提供了线索。

在进化历史方面，矮大黄的起源和分化与青藏高原的地质历史事件紧密相连。中新世的高原隆升和季风气候加强，以及更新世 - 全新世的气候波动，都对矮大黄的进化产生了深远影响。这些地质和气候的变化导致了栖息地的破碎化和隔离，促进了矮大黄的种内分化。

在冰期避难所和历史动态方面，研究结果支持了青藏高原上存在多个避难所的观点，不仅在高原边缘，高原平台也可能是矮大黄在冰期的避难所。矮大黄的分布变化符合 “位移避难所” 模型，这为理解高山植物在冰期和间冰期的分布动态提供了新的视角。

总体而言，该研究不仅丰富了我们对青藏高原植物进化历史的认识，还强调了地质历史事件对矮大黄进化的主导影响，为生物多样性保护提供了重要的理论基础。它就像一盏明灯，照亮了我们探索高原植物进化奥秘的道路，为未来的相关研究指明了方向。