瑞士前阿尔卑斯地区高山铁线莲（Clematis alpina）的遗传分化：边缘种群的故事

本研究通过序列捕获技术（sequence capture）和群体采样，揭示了高山铁线莲（Clematis alpina subsp. alpina）在瑞士前阿尔卑斯（Prealps）边缘种群的独特遗传结构。结果表明，这些孤立种群形成了明显区别于阿尔卑斯主分布区的独立遗传簇（genetic cluster），并表现出较高的近交系数（F）和较低的核苷酸多样性（π），暗示多样性丧失风险。研究强调了边缘种群作为独特谱系（lineage）来源的生物地理学价值，为高山铁线莲的保护提供了关键依据。

　　

引言

高山铁线莲（Clematis alpina L., Ranunculaceae）是一种分布于欧亚大陆北部山区的藤本植物。其欧洲亚种C. alpina subsp. alpina在阿尔卑斯地区的主分布区外，存在少数孤立于瑞士西北前阿尔卑斯（Prealps）的边缘种群。这一区域虽研究较少，但生物地理学意义重大。边缘种群可能携带反映历史生物地理过程和微进化事件的独特遗传变异。本研究通过跨物种分布范围的大规模群体采样和序列捕获数据，验证了这一假说。

前阿尔卑斯地区作为阿尔卑斯山脉西北缘的沉积岩主导单元，由孤立山峰和小型山脉链组成，最大海拔2400米，长120公里，宽35公里。该区域在第四纪冰期曾是植物避难所（refugium），其植物区系以独特的遗传和物种组成为特征，包含多个特有类群，如Arenaria bernensis和Papaver occidentale。然而，与内阿尔卑斯相比，前阿尔卑斯的植物多样性研究仍较匮乏。

材料与方法

野外调查与采样
2022年5月至9月，研究团队对前阿尔卑斯地区的高山铁线莲分布进行了全面调查，确认了17个种群，其中最大种群位于Dent de Vounetse（个体数>100）。这些种群多生长于北向悬崖，与阿尔卑斯其他地区的地面或树木附生种群生态习性显著不同。

遗传分析
共采集27个种群150份样本，覆盖阿尔卑斯、喀尔巴阡山脉和巴尔干半岛等地。通过流式细胞术确认所有样本为二倍体（2C值中位数17.28 pg）。采用改良CTAB法提取DNA，结合Angiosperms353探针组和Ranunculaceae特异性外显子捕获（共1429个位点），构建文库并测序。数据经Trimmomatic质控、HybPiper组装，过滤后保留126个个体5072个SNP。

分析策略

• 遗传结构：使用FastStructure（K=4）、PCA和基于ASTRAL的系统发育树分析。
• 多样性指标：计算核苷酸多样性（π）、观测杂合度（Ho）和近交系数（F）。
• 叶绿体基因组：比对参考基因组（C. montana, MT292622）获取42个SNP。
• 群体历史：通过GADMA2软件基于等位基因频谱（JAFS）推断分化时间与有效群体大小（Ne）。

结果

遗传分化格局

• 亚种水平：C. alpina subsp. sibirica与subsp. alpina显著分化（F_ST
  =0.374±0.056），支持二者为独立分类单元。
• 亚种内部分化：subsp. alpina形成三大地理遗传簇：
  1. 前阿尔卑斯种群（蓝色）：独立于其他群体（PCA第二轴贡献5.02%），叶绿体单倍型独特。
  2. 阿尔卑斯主种群（绿色/粉色）：东西部群体遗传连续，但西部（如法国Salève）与东部（如奥地利?tztal）存在微弱分化。
  3. 喀尔巴阡/巴尔干种群（红色）：遗传多样性最高（π=0.13±0.01），部分群体（如罗马尼亚CA_PI）显示阿尔卑斯基因渗入。

遗传多样性
前阿尔卑斯种群呈现典型的边缘效应：

• 低多样性：核苷酸多样性最低（π=0.0006±0.0019），仅为喀尔巴阡种群的46%。
• 高近交：平均近交系数达0.34±0.06（Boltigen种群PR_BO最高，F=0.53）。
• 对比：喀尔巴阡种群表现出杂合子过剩（F=-0.18±0.08），可能源于近期瓶颈或基因流。

群体历史推断
最佳模型（AIC支持）显示：

1. 35,033年前：祖先群体（Ne≈4814）首次分裂为喀尔巴阡/巴尔干（78.26%）和阿尔卑斯（21.74%）支系。
2. 4,410年前：阿尔卑斯支系二次分裂，前阿尔卑斯群体仅占7.12%（Ne=129），后经历指数扩张（现Ne≈1458）。
3. 迁移率：群体间基因流极低（m<0.001）。

讨论

边缘种群的进化意义
前阿尔卑斯种群的遗传独特性可能源于：

• 冰期避难所效应：与其他前阿尔卑斯特有植物（如Eryngium alpinum）类似，其独特单倍型支持局部长期存活假说。
• 扩张前沿的遗传漂变：东西梯度多样性模式（喀尔巴阡>阿尔卑斯>前阿尔卑斯）符合“东部起源-西部扩张”模型，前阿尔卑斯作为扩张末端经历强烈奠基者效应。

保护启示

• 就地保护：维持瑞士弗里堡和伯尔尼州的法定保护地位，重点保护悬崖生境。
• 迁地保护：当前植物园栽培个体（如Fribourg BG1/BG2）源自阿尔卑斯主种群，需补充前阿尔卑斯本土基因型。
• 区域价值：研究强调了前阿尔卑斯作为生物多样性热点（hotspot）的保护优先级，其悬崖生态系统对特有物种存续至关重要。

技术应用
Angiosperms353探针组在种内水平的有效性得到验证：

• 与Ranunculaceae特异性位点结果高度一致（r>0.95）。
• 旁侧内含子区域（splash zone）贡献24%的SNP，提升分析分辨率。
• 叶绿体捕获（0.39%数据量）为群体历史提供补充证据。

结论

本研究揭示了高山铁线莲边缘种群的独特遗传谱系及其生物地理学机制，为理解阿尔卑斯植物多样性形成提供了新视角。同时，前阿尔卑斯种群的脆弱性警示需加强微栖息地保护，而Angiosperms353技术在群体遗传学中的拓展应用展现了广阔前景。