基于胁迫相关单拷贝基因揭示鹅掌楸属种群遗传分化与进化历史及其环境适应机制

本文通过8667个单拷贝直系同源基因的系统分析，揭示了鹅掌楸属（Liriodendron）在能量代谢、光合效率和胁迫抗性（如脱水素DHN和类甜蛋白TLP）等方面的功能富集，阐明了其跨北半球间断分布的进化历史与气候适应性分化。研究克隆了LtDHN2、LtDHN3和LtTLP11基因，发现高SNP密度（1/15.80–19.45?bp）和显著种间分化（Fst?=?0.71–0.94），证实了中新世（11.4–13.4?Ma）和第四纪冰期（2.19–2.23?Ma）的种群分歧与扩张历史，为温带树种对环境变化的适应性进化提供了关键分子证据。

　　

引言

鹅掌楸属（Liriodendron）作为木兰科中基部被子植物的代表类群，在白垩纪晚期逐渐取代裸子植物成为陆地优势植物。基因组研究表明，鹅掌楸谱系约在93.5百万年前（Ma）与核心木兰类分化，其全基因组复制（WGD）事件发生于约116?Ma。化石记录显示，鹅掌楸在早白垩世起源于中国南部，并于晚白垩世广泛分布于北半球，但当前仅存中国东部和北美洲的间断分布格局。其中，北美鹅掌楸（L. tulipifera）具有较强的适应性且连续分布于阿巴拉契亚山脉，而中国鹅掌楸（L. chinense）因种群规模小、生境破碎化被列为近危物种。

材料与方法

研究基于20个自然种群（14个L. chinense和6个L. tulipifera种群）的120个个体，通过OrthoFinder鉴定出8667个单拷贝直系同源基因（占L. chinense和L. tulipifera总基因数的15.60%和18.26%）。从中筛选出与胁迫响应相关的LtDHN2、LtDHN3（脱水素基因，属SK_n亚家族）和LtTLP11（类甜蛋白基因）进行克隆和测序。利用DnaSP、MEGA和Arlequin进行遗传多样性（π、θw）、遗传分化（F_st）和分子方差分析（AMOVA），并通过DIYABC和Lamarc推断了种群历史与基因流，BEAST构建了贝叶斯天际线图（BSP）以估算有效种群动态。

单拷贝基因的功能注释

GO富集分析显示，单拷贝基因主要涉及腺苷核糖核苷酸结合、腺苷酸结合（分子功能）、类囊体腔和质体类囊体腔（细胞组分）、除草剂响应和苯类化合物代谢过程（生物过程）。KEGG分析显著富集于遗传信息处理、翻译等通路。这些功能与能量代谢、光合效率和胁迫抗性密切相关，为鹅掌楸在历史气候波动中的存活提供了基础适应机制。

胁迫相关单拷贝基因的遗传变异

三个胁迫相关基因表现出高SNP密度（LtDHN2: 1/17.35?bp；LtDHN3: 1/19.45?bp；LtTLP11: 1/15.80?bp）和高核苷酸多样性（π?=?0.0114–0.0187）。AMOVA表明遗传变异主要来源于种间分化（70.58%–94.69%），种内群体间变异仅占0.85%–5.42%。F_st分析显示L. chinense与L. tulipifera间分化显著（0.71–0.94），而中国鹅掌楸东西种群间分化较弱（0.01–0.10）。

种间分化的分子基础

LtDHN2和LtDHN3在两种间存在多个非同义替换位点：

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  LtDHN2中组氨酸（H²¹）→谷氨酰胺（Q）、谷氨酸（E⁹⁹）→天冬氨酸（D）等变化，可能影响金属结合和氧化应激响应；

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  LtDHN3中甲硫氨酸（M¹³⁹）→异亮氨酸（I）、脯氨酸（P¹⁴⁸）→丝氨酸（S）等替换，可能增强膜结合能力和磷酸化调控。

  这些变异反映了L. chinense倾向于氧化应激保护（适应高海拔），而L. tulipifera则强化了膜稳定性与干旱适应。

种群历史与分歧时间

DIYABC分析支持4种进化情景（C、D、F、J），表明北美种群（NA）与中国东西种群（CE、CW）均可能为祖先种群。种间分歧发生于中新世（11.4–13.4?Ma），与白令陆桥中断及全球降温事件一致；中国鹅掌楸东西种群的分化发生于第四纪初（2.19–2.23?Ma），与冰期气候振荡同步。历史基因流分析显示北美向中国种群基因流较强（LtDHN2、LtDHN3），而LtTLP11则呈现反向趋势，表明不对称的跨大陆基因交流。

有效种群动态

贝叶斯天际线图揭示：

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  L. chinense在末次冰期早期（MIS 4, 0.057–0.071?Ma）和末次间冰期（MIS 5a–5e, 0.071–0.130?Ma）经历快速扩张，而LtDHN2/LtDHN3显示冰期瓶颈；

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  L. tulipifera在MIS 3暖期（0.025–0.057?Ma）、末次间冰期波动阶段（MIS 5a–5d）及末次冰盛期升温期（MIS 6, 0.130–0.150?Ma）出现种群重建，反映其对间歇性暖事件的适应性响应。

讨论与结论

鹅掌楸属的进化历史深受古地理限制、气候振荡和位点特异性选择的影响。单拷贝基因在能量代谢和胁迫响应中的功能保守性为其长期生存提供了基础，而胁迫相关基因的快速进化则促进了种间适应性分化。中国鹅掌楸和北美鹅掌楸在遗传架构和种群动态上的差异体现了各自对山地生境和干旱胁迫的不同适应策略。本研究为理解温带树种对环境变化的进化响应提供了分子生态学证据，也为珍稀树种的保护与适应性育种提供了理论依据。