《Plant Diversity》：A Palearctic divide, niche conservatism and host-fungal endophyte interactions shaped the phylogeography of the grass
Brachypodium sylvaticum
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本研究针对林生短柄草(Brachypodium sylvaticum)复合群及其内生真菌(Epichlo? sylvatica)的进化历史不清问题，通过整合全基因组系统基因组学、质体组分析、环境生态位建模(ENM)和协同进化分析，揭示了东西古北界姐妹谱系的深度分化格局。研究发现细胞核-质体基因组不一致现象表明西部类群存在历史质体捕获事件，同时证实宿主与内生菌之间存在部分协同分化。该研究首次揭示了林生短柄草-内生真菌全生物组在第四纪气候波动下的协同进化与生态构建机制，为理解宿主-内生菌互作对植物复合群生态成功的贡献提供了新证据。
在植物进化生物学研究领域，林生短柄草(Brachypodium sylvaticum)作为一种多年生林地下禾草，因其广泛分布于古北界地区而被选为多年生植物的模式物种。这种植物与内生真菌(Epichlo? sylvatica)形成稳定的共生关系，这种互作关系对植物的生态适应性和进化轨迹具有重要影响。然而，尽管该复合群具有广泛的分布和生态重要性，其进化历史以及真菌共生体的作用仍不清楚，特别是缺乏对草-内生真菌全生物组(holobiont)的系统地理学研究。
以往的研究虽然对短柄草属(Brachypodium)的系统发育和基因组特征有了一定认识，但对林生短柄草复合群在第四纪气候波动下的进化响应机制了解有限。该复合群包含多个微分类单元，如短颖短柄草(B. breviglume)、库页岛短柄草(B. kurilense)等，它们具有间断的地理分布，暗示可能存在遗传隔离和进化分化。同时，真菌内生菌几乎普遍存在于自然种群中，但其与宿主植物的协同进化关系尚未得到系统研究。
为了解决这些科学问题，研究人员开展了一项综合性研究，通过整合多维度的研究方法，旨在揭示林生短柄草复合群及其内生真菌的进化动态和生态适应机制。
本研究采用了多种关键技术方法：对94个代表性样本进行基因组浅层测序(genome skimming)，获取全基因组单核苷酸多态性(SNP)和质体组数据；通过生物信息学流程分离宿主和真菌序列；利用最大似然法(ML)构建系统发育树；应用TreePL进行分化时间估算；使用BioGeoBEARS进行生物地理重建；通过ADMIXTURE分析群体结构；采用环境生态位建模(ENM)预测古今分布；运用ParaFit和PACo分析宿主-内生菌协同进化。
3.1. 核数据集和林生短柄草复合群的系统基因组学
基于160,124个核SNP构建的最大似然系统发育树显示，林生短柄草复合群分为两个深度分化的姐妹谱系：东古北界支系和西古北界支系。东古北界支系中，短颖短柄草(B. breviglume)为并系群，库页岛短柄草(B. kurilense)与苦难短柄草(B. miserum)构成姐妹群。西古北界支系中，灰绿短柄草(B. glaucovirens)最早分化，随后分为两个支持良好的亚支。系统发育树显示出明显的地理结构，多数同一地区个体聚集在一起。
3.2. 生物地理模式和祖先区域重建
分化时间估算表明，林生短柄草复合群谱系在早更新世(约1.99 Ma)从其干祖先分化，复合群的冠节点在卡拉布里亚期(约1.74 Ma)分裂为东西古北界姐妹支系。生物地理重建支持DIVA+J为最优模型，推断林生短柄草复合群最近共祖的起源地为一个广泛的古北界区域，包括喜马拉雅山脉和地中海地区。东支系显示出从喜马拉雅到日本的阶梯式殖民模式，而西支系则显示出从地中海避难所向高纬度地区扩散的模式。
3.3. 质体组数据集和核不一致性
质体组系统发育树在主要谱系上显示出与核树相似的拓扑结构，但林生短柄草复合群在质体组重建中为并系群，短穗短柄草(B. pinnatum)被解析为西古北界谱系的姐妹群。细胞核-质体不一致性分析显示两树之间存在显著的不一致(gRF = 0.7286)，表明西支系存在质体捕获事件。
3.4. 真菌内生菌的检测和Epichlo? sylvatica共生体的系统发育
在94个样本中的83个检测到了Epichlo? sylvatica共生体，感染率超过95%。ITS系统发育树揭示了两个主要支系，支系I包括在东古北界物种库页岛短柄草上发现的内生菌和西古北界B亚支的谱系，支系II包括地理分布广泛的林生短柄草上的内生菌。协同进化分析检测到了显著的全局一致性信号，表明宿主与内生菌之间存在协同进化关系。
3.5. 林生短柄草复合群分类单元和群体的群体基因组学和基因组多样性，以及空间隔离和环境隔离的影响
ADMIXTURE分析确定最佳群体数为K=4，对应东古北界群、灰绿短柄草+林生短柄草群、斯普里金短柄草(B. spryginii)+林生短柄草群以及纯林生短柄草群。所有分类单元都显示出低基因组多样性水平， observed heterozygosity (Ho)值在0.067-0.114之间，近交系数(FIS)在0.113-0.553之间，自交率(s)在0.203-0.712之间，符合自交物种的特征。隔离距离(IBD)和隔离环境(IBE)分析显示，西支系中地理和环境距离对基因组分化有显著影响，而东支系中这些因素影响不显著。
3.6. 林生短柄草复合群分类单元及其东西古北界群体的生物气候分析和从末次盛冰期到现在的环境生态位变化
生态位模型显示，林生短柄草复合群占据碎片化的海洋驱动气候生态位，当前物种分布预测显示出高度准确性(AUC = 0.941)。末次盛冰期(LGM)的古气候预测表明，冰川避难所存在于西欧沿海地区、东亚太平洋沿岸以及西亚山脉地区。东西古北界群体之间的生态位重叠程度中等(Schoener's D = 0.473)，相似性检验结果显著(p = 0.027)，支持生态位保守性假说。
研究结论表明，林生短柄草复合群的进化历史受到第四纪气候波动的深刻影响，东西古北界谱系在约1.74 Ma发生分化，并各自形成了独特的进化轨迹。细胞核-质体基因组不一致现象揭示了西支系存在历史性质体捕获事件，反映了该地区复杂的人口历史和交流事件。宿主与内生真菌之间的协同进化关系得到了证实，尽管协同程度因地区和谱系而异，但这种长期共生关系可能对宿主的生态成功起到了重要作用。
生态位分析结果显示，东西谱系之间存在生态位保守性，表明地理隔离而非适应性分化是谱系分化的主要驱动力。西支系受到隔离距离(IBD)和隔离环境(IBE)的显著影响，而东支系则未表现出这种模式，反映了两个地区不同的生态和人口动态。
该研究的创新之处在于首次将林生短柄草和其内生真菌作为全生物组进化单元进行研究，揭示了在第四纪气候波动下，生态位动态和宿主-真菌相互作用共同塑造了该复合群的分化和当前分布格局。研究结果为理解植物-微生物共生系统在物种适应和进化中的作用提供了新视角，对预测气候变化下物种响应和生物多样性保护具有重要启示。
研究发现还支持林生短柄草的自交繁殖系统促进了其快速殖民能力，这与该物种在北美成为入侵种的成功相吻合，类似于自交一年生短柄草属植物的"殖民者综合征"。同时，灰绿短柄草(B. glaucovirens)的高杂合度支持其杂交起源假说，为理解短柄草属的杂交和进化提供了新证据。
总体而言，这项研究通过整合多学科方法，全面揭示了林生短柄草复合群及其内生真菌系统的进化历史，为理解古北界地区温带植物群在第四纪气候波动下的进化动态提供了重要案例，也为未来研究植物-微生物互作在物种适应和进化中的作用奠定了基础。
