波斯铁木（Parrotia persica）多基因座nSSR基因型与保护遗传学研究：揭示第三纪孑遗“活化石”的进化与保护策略

这篇研究首次通过CandiSSR筛选出5,459个候选多态性核微卫星(nSSR)位点，并利用24个多态性nSSR对伊朗和阿塞拜疆Hyrcanian森林的37个波斯铁木(Parrotia persica)种群(638个体)进行基因分型。结果显示该物种具有中等遗传多样性(HE =0.485)、低遗传分化(FST =0.024)和高基因流(Nm =10.167)，种群结构呈现东西分化的空间格局，提出针对这一濒危"活化石"的紧急就地与迁地保护策略。

　　

摘要

波斯铁木(Parrotia persica)是Hamamelidaceae科特有的第三纪孑遗"活化石"树种，分布于伊朗和阿塞拜疆的Hyrcanian森林。化石证据表明该物种与东亚姐妹种P. subaequalis在中新世分化。研究通过CandiSSR鉴定出5,459个候选多态性nSSR位点，其中二核苷酸(78.60%)和三核苷酸(16.34%)重复最为丰富。使用24个多态性nSSR对37个种群的638个体进行基因分型，发现该物种具有中等遗传多样性(H_E
=0.485)、低遗传分化(F_ST
=0.024; G'_ST
=0.041)和高基因流(N_m
=10.167)。种群遗传结构分为两个基因库，对应Hyrcanian森林东西部两个进化显著单元(ESU)，并检测到显著隔离距离(IBD)效应。新开发的nSSR在P. subaequalis和其他Hamamelidaceae物种中表现出较高的跨物种转移性。

引言

Parrotia属包含波斯铁木(P. persica)和中国铁木(P. subaequalis)两个现存物种，呈东亚-西亚间断分布。基于化石校准的分子钟估算，两者在中新世(约7.5±3.8 Mya)分化。波斯铁木具有重要科学、医学和生态价值，其花粉记录显示在更新世冰期仍存在于Hyrcanian森林。然而，人类活动如伐木、放牧和农业开垦正威胁这一物种的生存。

材料与方法

采集覆盖波斯铁木全分布区的37个种群683个体叶片样本，使用HiSeq XTen平台进行低覆盖度全基因组测序。通过CandiSSR筛选候选nSSR，使用CERVUS、FSTAT等软件分析遗传参数。采用STRUCTURE进行贝叶斯聚类分析，用GenALEx进行主坐标分析(PCoA)。

结果

1. nSSR开发与转移性：鉴定5,459个候选多态性nSSR，成功开发31个多态性位点(93.55%具中高度多态性)。在16个Hamamelidaceae物种中转移成功率16.13-77.42%，其中P. subaequalis的20个位点(64.52%)显示多态性。

2. 遗传多样性：物种水平H_E
   =0.485，种群水平平均H_E
   =0.461。VZ种群多样性最高(H_E
   =0.494)，NV种群最低(H_E
   =0.411)。瓶颈检测显示21个种群经历近期遗传瓶颈。

3. 种群结构与分化：

   • 低遗传分化(F_ST
     =0.024)和高基因流(N_m
     =10.167)
   • AMOVA显示97.785%变异存在于种群内
   • STRUCTURE和PCoA将种群分为东西两个基因簇，对应两个ESU
   • Mantel检验显示显著IBD效应(r=0.540, p=0.0001)

讨论

1. nSSR特征：二核苷酸重复(78.60%)占主导，与Dalbergia hupeana(69.67%)等树种模式相似。9个nSSR位点与转录/代谢活动相关。

2. 遗传多样性：波斯铁木遗传多样性(H_E
   =0.485)低于同域物种Pterocarya fraxinifolia(H_E
   =0.63)，但高于Populus caspica(H_E
   =0.380)。推测更新世气候变冷导致分布区收缩和基因型丢失是主要原因。

3. 种群结构成因：东西分化的遗传结构可能源于Hyrcanian森林西部(年降雨2000mm)与东部(600mm)的水分梯度差异。晚更新世至全新世的气候变化导致物种进入小型避难所。

保护建议

1. 建立包含东西部ESU的种子区
2. 实施就地保护与迁地保护相结合的策略
3. 针对不同基因库开展科学采样和移植

该研究为波斯铁木及其他Hamamelidaceae物种的种群遗传学、分子育种和科学保护提供了重要遗传资源。