基于3RAD全基因组测序揭示灯心草属Luzula sect. Luzula木材灯心草多样化模式的对比研究

本研究通过3RAD全基因组测序和质体序列分析，探究了灯心草属Luzula sect. Luzula二倍体类群的进化趋势和遗传多样化模式。研究发现，该类群分为三个谱系，表现出不同的分支、网状进化和共祖水平，并揭示了至少两次独立的染色体碎裂（agmatoploidy）事件，这些事件发生在中晚更新世。研究为理解木材灯心草的多样化复杂性提供了新视角，并为未来探索染色体碎裂在物种多样化中的作用奠定了基础。

　　

灯心草属（Luzula）是少数具有全着丝粒染色体（holocentric chromosomes）的被子植物属之一，其染色体可通过断裂（agmatoploidy）或融合（symploidy）产生不同数目和大小的核型。这种独特的染色体特性使得灯心草属成为研究物种多样化的理想模型。然而，尽管已有一些研究探讨了该属的核型多样性和分类关系，但关于其多样化模式和染色体碎裂的起源仍存在许多未解之谜。特别是，Luzula sect. Luzula作为该属中分类多样性最高的类群，其进化历史和染色体碎裂的作用尚不清楚。此外，先前的研究由于分类和地理采样不完整以及系统发育分辨率低，未能解决这些问题。

为了填补这些空白，研究人员利用3RAD全基因组测序数据和质体序列，对Luzula sect. Luzula的二倍体类群进行了深入研究，重点关注欧洲高山系统（EAS）及其周边地区的物种。研究还推断其与其他近缘类群的系统发育关系，并探索基因组大小的进化动态。

研究的主要技术方法包括：

1. 1.

   3RADseq文库制备和测序：采用EcoRI、XbaI和NheI限制性内切酶进行基因组DNA消化，构建测序文库，并通过Illumina NovaSeq X Plus平台进行测序。

2. 2.

   系统发育分析：使用IQ-TREE 2进行最大似然（ML）分析，并通过SNAPP进行分歧时间估计。

3. 3.

   遗传结构分析：通过fineRADstructure和tess3r分析个体间的共祖关系和遗传结构。

4. 4.

   基因组大小和染色体计数：通过流式细胞术测量相对基因组大小（RGS），并通过根尖压片法确定染色体数目。

研究结果：

1. 1.

   系统发育关系和时序多样化：Luzula sect. Luzula被证实为单系群，分为三个主要谱系：Clade A、Clade B和L. campestris。分歧时间估计显示，该节的起源可追溯至中上新世（3.95 Ma），而类群内的多样化主要发生在更新世。

2. 2.

   Luzula sect. Luzula内的系统发育关系和遗传结构：Clade A和Clade B表现出不同的遗传多样化模式。Clade A的物种形成清晰的单系群，而Clade B的物种则显示出高度的共祖和网状进化关系。

3. 3.

   L. divulgatiformis、L. exspectata和L. taurica的遗传结构：Clade B内的物种表现出明显的地理分化，并揭示了多次跨大陆迁移事件。

4. 4.

   染色体数目、基因组大小变异及其进化动态：研究发现染色体碎裂事件在Clade A和Clade B中独立发生，且基因组大小的进化动态显示出明显的上调和下调趋势。

研究结论与意义：

本研究首次全面揭示了Luzula sect. Luzula的多样化模式，并证实了至少两次独立的染色体碎裂事件。这些发现不仅为理解全着丝粒染色体在物种多样化中的作用提供了新视角，还为未来研究染色体碎裂的机制和生态适应性奠定了基础。此外，研究还揭示了跨大陆迁移事件在Luzula sect. Luzula进化历史中的重要性，为理解植物物种的分布和多样化提供了重要线索。论文发表在《Molecular Phylogenetics and Evolution》，为灯心草属的系统发育和进化研究树立了新的里程碑。