基于基因分型测序数据重建的豌豆（Pisum sativum L.）系统发育揭示了核基因组与细胞器基因组的进化不一致性

《Molecular Phylogenetics and Evolution》：Phylogeny of peas ( Pisum sativum L.) reconstructed from genotyping-by-sequencing data highlights discordant evolution of nuclear and organellar genomes

•基于核数据的野生和栽培豌豆系统发育与分类学相符。
•豌豆的质体系统发育与基于核基因组的系统发育略有分歧。
•线粒体系统发育偏离核系统发育，表明线粒体交换容易。
•栽培豌豆是单系的，但在驯化后不久就分化为两个主要分支。

引言
质体和线粒体是拥有自身小基因组的植物细胞器，编码许多重要基因，除了占压倒性多数的核基因外。通常，这两个细胞器基因组是母系遗传且不发生重组（Camus et al., 2022），因此它们的系统发育历史预计彼此一致。相比之下，核基因的系统发育历史由双亲遗传驱动，并被重组模糊，从而形成一组不完全连贯的进化途径。然而，细胞器的母系遗传并不十分严格。细胞器在不同植物类群中可能遵循多种遗传模式（Corriveau and Coleman, 1988, Chung, 2025）。此外，它们的遗传可能受某些遗传和环境因素（如温度）的影响（Chung et al., 2023, Gonzalez-Duran et al., 2026）。在雄性生殖系中，质体和线粒体基因组常通过基因组降解核酸酶发生降解，这些核酸酶对质体和线粒体的特异性可能不同（Chung, 2025）。这些过程可能是质体和线粒体基因组不一致进化的前提。最近我们证明了豌豆（Pisum L.）中它们系统发育模式的显著差异，位于同一物种 Pisum sativum L 内（Bogdanova et al., 2021, Bulgakova et al., 2025）。这可以解释为质体和线粒体倾向于非规范、双亲或父系遗传的程度不同。另一个有利于这种遗传模式的因素是核 - 质冲突。事实上，尽管质体的双亲遗传在广泛的豌豆杂交中相当频繁（Bogdanova et al., 2014），因为核和质体之间的冲突（Bogdanova 2007），但线粒体的双亲遗传观察到的极少（Bulgakova et al., 2023）。然而，观察到的豌豆质体和线粒体系统发育的不一致性不能用质体 - 核冲突最研究透彻的情况背后的机制来解释（Bogdanova, 2007, Bogdanova et al., 2015），而是与之矛盾（Bogdanova et al., 2021）。这些事实提出了关于细胞器基因组微进化途径可能驱动因素的问题，并证明豌豆是研究细胞基因组微进化的便捷模型。

栽培豌豆（Pisum sativum L.）是一种重要的富含蛋白质的温带作物，用作蔬菜、谷物和饲料（Graham and Vance, 2003, Watson et al., 2017），因此在各种基础和 applied 方面得到了积极研究。豌豆是近东的奠基作物之一（Zohary and Hopf, 2000, Abbo et al., 2022），因此也是植物驯化研究的焦点。重要的是，该物种的真正野生代表仍然存在于地中海地区的大自然中（广义）（Kosterin, 2023）。这些是小型自然种群，从未涉及栽培，以两种重要的适应特征为特征，即生存和自然繁殖但不适合栽培：荚果开裂和种子休眠期长（Weeden et al., 2002, Weeden et al., 2021, Kreplak et al., 2019, Hellwig et al., 2021, Kosterin, 2023）。它们被认为是有用性状遗传变异的潜在来源，首先是抗病虫害和非生物胁迫能力，可在豌豆育种中利用（Maxted and Kell, 2009, Kosterin, 2016），符合育种背景下对作物野生近缘种的关注（Ford-Lloyd et al., 2011, Kashyap et al., 2022）。

豌豆的遗传多样性已通过不同的分子方法得到 intensive study（Jing et al., 2010, Smykal et al., 2012, Zaytseva et al., 2012; 2015; 2017; Bogdanova et al., 2014; 2015; Weeden, 2018, Weeden et al., 2021 等），近年来包括现代全基因组、高通量测序方法（Siol et al., 2017, Smykal et al., 2018, Trněny et al., 2018, Bogdanova et al., 2018; 2021; Kreplak et al., 2019, Hellwig et al., 2021, Hellwig et al., 2022, Shatskaya et al., 2023, Bulgakova et al., 2023; 2025; Rispail et al., 2023, Crosta et al., 2023, Pavan et al., 2023）。然而，分子遗传学家往往忽略其材料的植物学方面：其地理起源、地位（野生植物、传统栽培地方品种、栽培品种）以及根据替代分类系统的鉴定。这种输入元数据的“噪声”模糊了输出和由此类研究中可推断出的生物学意义模式。为避免这种偏见并基于我们在豌豆种植方面的经验，鉴于形态特征的极大且难以分类的多样性，我们避免使用亚种和品种名称；详情见讨论部分的 4.4 小节。

早期我们进行了一系列野生豌豆的系统发育和系统地理学研究，这些豌豆的起源已知并通过温室检查证明拥有关键的野生特征。对其完整质体和线粒体基因组的测序揭示了这些基因组的不一致进化（Bogdanova et al. 2021）。后来的更新，Shatskaya et al. (2023) 揭示了一个奇怪的事实，即欧洲栽培豌豆的最近亲缘就质体和线粒体基因组而言是来自不同地理起源的不同野生豌豆集合，两者都与 Lev-Yadun et al. (2000; Abbo et al., 2022) 假设的近东驯化核心区不一致。对栽培豌豆细胞器基因组的进一步研究，主要代表传统地方品种（Bulgakova et al., 2025），表明栽培豌豆线粒体基因组具有多重起源。与此同时，发现它们的质体基因组是单系的，除了两个种质。这些发现突出了豌豆中不同细胞基因组微进化的复杂性质。为了更好地理解这一点，对同一组种质中豌豆核基因组的系统发育知识至关重要。使用同一组种质是关键点，因为它提供了系统发育一致性/不一致性的清晰 picture，不被所涉生物材料的变异所模糊。在本工作中，我们使用基因分型测序 (GBS) 来研究同一组 91 个豌豆种质中核基因组的进化。GBS 方法涉及对邻近某些限制性内切酶识别位点的大量短 DNA 片段进行测序。这些位点主要来自核基因组，遍布其上而不受遗传内容影响。因此，它们的分析提供了重建核基因组平均系统发育的机会。

我们的种质集合包含野生豌豆、传统地方品种和少量欧洲选育豌豆。使用的野生豌豆要么是主要种质库中文件齐全的种质，我们在温室中种植并确认过，要么是我们自己在自然中采集的。本研究中所选栽培豌豆的选择动机是我们额外的目标，即澄清豌豆驯化的情况以及豌豆栽培在温带旧世界的传播。为此，我们使用了 N.I. 瓦维洛夫全俄植物遗传资源研究所 (VIR)（圣彼得堡）的传统地方品种集合，其中部分由著名的 N.I. 瓦维洛夫、L.I. Govorov 及其同事在 20 世纪初的著名考察队采集（Govorov, 1937）。此前已对该集合的两种细胞器基因组进行了分析（Bulgakova et al., 2025），这里将其重建的系统发育与核基因组的系统发育进行比较。

本研究的目标如下：
- 比较从三种细胞基因组重建的系统发育模式，以评估质体和线粒体基因组与核基因组进化的分歧程度。
- 利用来自广泛地理范围的传统地方品种集合，澄清豌豆驯化的情况以及豌豆栽培在温带旧世界的传播。

首次在物种水平上比较豌豆三种细胞基因组的系统发育模式。线粒体系统发育显示与核系统发育强烈分歧，而质体系统发育则中等程度分歧。对豌豆三种细胞基因组进化的这一洞察对于更好地理解植物微进化以及更好地选择育种前材料以利用野生豌豆的有用遗传多样性都很重要。

豌豆驯化历史及栽培状态下的进一步进化曾多次由分子系统发育研究涉及，但利用瓦维洛夫所藏的丰富传统栽培地方品种集合（采集于数百年前），以及引入假定的豌豆驯化区的野生种质，使我们得以揭示栽培豌豆遗传变异的相当复杂的模式，包括来自不同野生豌豆线粒体基因组渐渗的迹象。因此，这项工作提出了关于豌豆驯化假设情景和豌豆栽培早期传播的进一步问题。

部分摘要
植物材料
我们分析了之前测序过质体和线粒体基因组的同一组 91 个豌豆种质（Bulgakova et al., 2025）。其中包括野生种 Pisum fulvum Sm. 的 4 个种质和 P. sativum 的 87 个种质，其中 56 个是真正的野生豌豆，31 个是栽培豌豆。后者中的大多数，即 26 个种质，是遍布历史上豌豆栽培地区的所有传统地方品种，三个代表欧洲选育的豌豆（Cameor 栽培品种和两个

基于 GBS 数据的系统发育重建
下面我们将使用术语"演化支”指代最基础的进化分支，"分支”指代它们的次级分支，"簇”指代由 Structure 2.3.4 揭示的聚类。
基于 GBS 数据并通过最大似然法重建的系统发育树显示在图 1 中。在这棵树中，分析的豌豆形成了四个支持度良好的不同体量的演化支，其分化顺序也得到良好支持。为了进一步描述和讨论，我们将它们命名为演化支。
三种细胞基因组的系统发育学
最有意思的是将基于 GBS 数据的系统发育重建（图 1，主要来自核基因组）与我们之前的系统发育重建进行比较，后者基于同一组种质但来自其他基因组数据源，即完整的质体和线粒体基因组（Bulgakova et al., 2025）。为此，我们采用了这些细胞器系统发育树，之前由 Bulgakova et al. (2025: 图 1-2) 报告，并根据参考文献更新了颜色。
手稿准备过程中生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明。
本手稿准备过程中未使用生成式人工智能或人工智能辅助技术。
CRediT 作者贡献声明
Vera S. Bulgakova：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，可视化，项目管理，方法，调查，形式分析，数据整理，概念化。Oleg E. Kosterin：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，概念化。Gennadiy V. Vasiliev：写作 – 审阅与编辑，资源，调查，资金获取，数据整理。
未引用参考文献
Asouti and Fuller, 2012, Doyle and Doyle, 1987, Filip and Skuza, 2021, Kosterin et al., 2020, Leaché et al., 2015, Lin et al., 2025, Pritchard et al., 2000, Schaefer et al., 2012, Shatskaya et al., 2019, Tanno and Wilcox, 2006, Wilkie, 1997, Zaytseva et al., 2015, Zaytseva et al., 2017.
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文 reported 的工作。
致谢
高通量测序在西伯利亚分院细胞学与遗传学研究所 (IC&G SB RAS) 基因组调查中心完成。基因组组装和系统发育重建使用了西伯利亚分院细胞学与遗传学研究所的计算设施。植物在 IC&G SB RAS 植物繁殖设施中种植。
资助：本工作由西伯利亚分院细胞学与遗传学研究所科学项目 FWNR-2026-0029 支持。
Vera S. Bulgakova|Oleg E. Kosterin|Gennadiy V. Vasiliev