城乡白车轴草种群的选择清除特征揭示人为栖息地的基因组适应性进化

本研究针对城市化与农业活动对生物适应性进化的影响机制不明确的问题，由多伦多大学团队通过全基因组测序(WGS)分析多伦多地区120株城乡白车轴草（Trifolium repens）种群。研究发现城市和乡村环境分别驱动了胁迫耐受（如热应激基因HSP22）和生长发育（如根系发育基因ITPK1）相关基因的选择清除，并鉴定出与大型结构变异（如染色体7/9的Hb7b、Hb9）重叠的强选择信号。该研究首次在基因组层面证实了城乡栖息地共同驱动当代适应性进化，为理解人类世（Anthropocene）生物快速演化提供了关键分子证据。

　　

论文解读

随着全球城市化进程加速，城市成为研究人类世生物快速进化的"天然实验室"。然而，农业用地占据地球40%的无冰陆地，其人为选择压力常被忽视。一个重要的问题是：城市与乡村环境如何通过不同机制驱动基因组层面的适应性进化？传统研究多聚焦表型差异，但对遗传基础的理解仍局限于候选基因或简化基因组技术（如GBS），且缺乏城乡选择信号的直接比较。白车轴草作为全球广布物种，其城乡氰化物防御表型梯度虽已被证实，但全基因组尺度的选择机制尚未揭示。

为解决上述问题，多伦多大学Marc T. J. Johnson团队联合James S. Santangelo等研究者，对多伦多地区38个种群（41株城市、41株乡村、27株郊区）的白车轴草开展全基因组测序（平均深度11.2X）。研究通过4重简并位点分析种群结构，结合跨群体选择清除检测方法（XP-nSL、nSL、iHS、iHH12）和等位基因频率谱（F_ST、Tajima's D）鉴定城乡选择信号。关键实验技术包括：

1. 样本采集：沿3条城市化梯度（图1）采集120株样本，依据人类影响指数（HII）划分生境类型；
2. 全基因组测序：Illumina NovaSeq双端150bp测序，比对至白车轴草单倍型组装参考基因组（GCA_030408175.1）；
3. 选择信号检测：使用selscan计算XP-nSL（以乡村为参照组），结合1000次样本置换检验验证；
4. 功能注释：整合基因注释（GFF3）与GO富集分析（topGO包）；
5. 等位基因频率梯度验证：通过二项回归检验选择区域内高F_ST位点的空间变化。

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研究结果
1. 种群结构与遗传多样性
PCA与Admixture分析（K=5）显示城乡种群无显著遗传分化（图2a,c），城乡间F_ST仅0.0063（图2b）。核苷酸多样性（π）在所有生境中均为0.0187，表明高基因流（如人类介导的种子传播）维持了种群连通性，这与白车轴草多年生、异交特性及广泛归化现象一致。

2. 城乡选择清除特征
XP-nSL分析鉴定出130个城市选择窗口和123个乡村选择窗口（图3c）。经置换检验验证（Top 5%），8个城市区域（如染色体9的435-470kb）和8个乡村区域（如染色体16的16.6-16.7Mb）显示最强选择信号（表1），其特征包括：

• 城市选择基因：集中于胁迫响应（盐耐受基因APRR2、病原免疫基因TOM2A）和发育调控（子叶生长基因RABH1B、叶发育基因PALM1）（图4c）；
• 乡村选择基因：富集于根系发育（ITPK1）和逆境响应（热激蛋白HSP22、冻耐受基因MEX1）（图4a,d）；
• 选择模式：Tajima's D在城市选择区域更负（如染色体9：-1.60 vs -1.08），表明不完全清除（ongoing sweeps）。

ST；(b) Tajima's D差异；(c) XP-nSL分布（蓝色=城市选择，绿色=乡村选择）'>

3. 结构变异与选择热点
最强选择信号（如染色体7的51-54Mb、9的43-49Mb）与已知大型结构变异（Hb7b, Hb9）重叠（表1）。这些区域在北美洲频率呈梯度分布（Hb9_urban=0.037, Hb9_rural=0.160），且含NAOD（精氨酸合成酶）等适应性基因，表明栽培品种渗入可能促进快速适应。

4. 等位基因频率梯度
选择区域内高F_ST位点的等位频率随城市化距离增加呈渐变趋势（图5），郊区频率更接近城市（图S14b），证实环境梯度驱动选择。

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结论与意义
该研究首次在基因组尺度证实：城市与乡村栖息地共同驱动白车轴草的当代适应性进化，但选择靶点存在差异——城市选择压力偏向非生物胁迫耐受，而乡村更注重发育调控。其重要意义体现在三方面：

1. 进化机制创新：发现选择清除主要作用于大型结构变异（如Hb7b/Hb9），通过不完全清除和选择已有变异（而非新突变）实现快速适应；
2. 人类世研究范式：突破"城市中心主义"局限，揭示农业景观（占全球陆地40%）同样是强选择热点，为人类活动对生物进化的双重影响提供证据；
3. 方法学贡献：建立XP-nSL结合置换检验的分析框架，有效识别不完全清除信号，适用于高基因流系统。

研究挑战了传统城乡二分法，提出"城市-郊区-乡村"连续适应模型（图S2），为解析全球变化下的快速进化机制开辟新路径。未来需通过跨城市比较和表型-基因型关联（如逆境处理实验）验证选择靶点的功能重要性。