基于全基因组重测序的莼菜种质资源分布格局与遗传多样性解析

《Horticulturae》：Genome-Wide Resequencing Reveals the Distribution Status and Genetic Diversity of Brasenia schreberi Germplasm Resources

　　

莼菜（Brasenia schreberi J. F. Gmel.，莼菜科Cabombaceae）是一种具有重要生态和经济价值的多年生水生草本植物。近年来，由于水体污染、生境丧失和过度采收，野生种群急剧减少，种质资源保护迫在眉睫。2023—2025年间，研究人员在全国疑似分布区开展了系统的野外调查，共确认了分布于11个省份的16个现存种群，其中包括5个近三十年未被报道的新发现分布点。研究对16份莼菜材料进行了群体遗传学分析，以系统阐明其遗传多样性水平和群体遗传结构。结果表明，种群间存在极高的遗传分化（FST = 0.845），84.48%的总遗传变异归因于种群间差异。群体遗传结构分析将材料划分为8个不同的遗传簇。各群体总体遗传多样性较低（观测杂合度Ho：0.0383–0.2166；期望杂合度He：0.0235–0.1620），等位基因丰富度（Na：1.0368–1.3650）和有效等位基因数（Ne：1.0250–1.2810）均处于较低水平，反映了野生莼菜资源狭窄的遗传基础。在迁地保护材料中，大多数保持了与其野生来源高度一致的遗传背景，表明现行保护策略能够在短期内有效维持遗传完整性。然而，在Y-CQLB（重庆雷波）和Y-AHZY（安徽枞阳）中检测到遗传混合现象，提示迁地保护过程中存在污染风险。该研究为莼菜种质资源的科学保护、精准管理和可持续利用提供了重要的理论基础。

莼菜种质资源保护与利用：基于全基因组重测序的系统研究解读

一、研究背景与意义

莼菜（Brasenia schreberi J. F. Gmel.）隶属莼菜科（Cabombaceae），是一种兼具有性生殖（风媒传粉）和无性繁殖（根状茎和冬芽）能力的多年生水生草本植物，在全球分布于亚洲、澳大利亚、非洲、印度和北美等地。在中国，莼菜历史上曾广泛分布于未受污染的湖泊、沼泽、池塘和农业湿地中。然而，工业化带来的水体污染、城市化进程以及集约化农业中化学投入品的大量使用，导致其生境严重退化，野生种群数量急剧下降。莼菜曾位列中国国家一级重点保护野生植物，尽管近年因生态改善被降为二级保护，但野生种群的数量和分布范围仍然十分有限。

开展系统的种质资源普查对于种群保护、生境恢复以及阐明该物种的生物学特性至关重要。迁地保护是濒危植物种质资源可持续利用的关键策略，已在莲（Nelumbo nucifera）、荞麦（Fagopyrum spp.）、新疆野苹果（Malus sieversii）和野生稻（Oryza spp.）等物种中取得成功应用。建立种质资源库能够有效缓解因水体污染、富营养化和生境丧失带来的灭绝风险，并在受控条件下维持遗传多样性，为育种、遗传改良和生态修复提供基础材料。

全基因组重测序（whole-genome resequencing, WGS）技术通过高通量测序检测单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP）、插入/缺失（insertion/deletion, InDel）和结构变异（structural variant, SV）等遗传变异，已在番茄（Solanum lycopersicum）、拟南芥（Arabidopsis thaliana）和非洲栽培稻（Oryza glaberrima）等物种中得到广泛应用。此前基于RAD-seq的群体遗传学研究报道了中国濒危莼菜种群中存在较高的遗传多样性和适应性分化信号，强调了地理隔离和环境异质性在塑造基因组变异中的作用。然而，莼菜种质资源的系统分布现状、遗传多样性水平以及迁地保护对遗传完整性的影响尚缺乏全基因组水平的系统评估，这正是本研究开展的核心动因。

二、研究内容与主要结论

研究人员在2023—2025年间对全国疑似莼菜分布区进行了系统的野外调查，确认了分布于11个省份16个县市的现存种群，其中包括5个近三十年未被报道的新发现野生种群。在16个分布区中，13个以野生种群为主，主要位于自然保护区或高山湖泊和池塘等人为干扰较小的环境；3个已被驯化为栽培品种，在当地广泛种植和销售，成为农民的重要收入来源。

研究发现了3个具有独特生物学价值的种群：湖南安仁（HNAR）是唯一在低海拔（108 m）高温环境下表现出良好耐热性的材料；云南腾冲（YNTC）是目前中国已知最大、最繁茂的野生莼菜种群；黑龙江宁安（HLJNA）是近三十年来首次在长江以北发现的野生莼菜种群，具有重要的生物地理学意义。

通过对16份莼菜材料进行全基因组重测序和群体遗传学分析，研究发现种群间存在极高的遗传分化（F_ST = 0.845），84.48%的总遗传变异归因于种群间差异，仅15.52%存在于种群内部。群体遗传结构分析将材料划分为8个不同的遗传簇。各群体总体遗传多样性较低，观测杂合度（H_o）为0.0383–0.2166，期望杂合度（H_e）为0.0235–0.1620，等位基因丰富度（N_a）为1.0368–1.3650，有效等位基因数（N_e）为1.0250–1.2810，反映出野生莼菜资源狭窄的遗传基础。系统发育分析结果与STRUCTURE分析高度一致，黑龙江宁安（HLJNA）作为高纬度种群形成独立分支，与南方种群呈现显著的南北地理分化。

对10份迁地保护材料与其野生来源的遗传比较显示，8份材料（Y-HNGD、Y-AHQM、Y-JXWN、Y-HBLC、Y-JXGX、Y-HNYZ、Y-ZJPA和Y-GDNX）保持了与野生来源完全一致的祖先组分，证明现行迁地保护策略能够有效维持遗传完整性。然而，Y-CQLB主要表现出湖北利川（HBLC）的遗传组分，Y-AHZY则呈现复杂的混合遗传背景，提示迁地保护过程中存在种质混杂或污染风险。

三、主要技术方法

本研究采用的关键技术方法包括：全基因组重测序（WGS）技术，基于已发表的莼菜染色体级别参考基因组，利用BWA软件进行序列比对，GATK进行变异检测和过滤获得高置信度SNP数据集；群体遗传结构分析采用STRUCTURE软件的贝叶斯算法，设置K值范围为1–15，每次K值进行10次独立运行，每次运行包含100,000次马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）迭代和50,000次预迭代；系统发育树采用FastTree软件的最大似然（ML）法构建；分子方差分析（AMOVA）和种群间遗传分化系数（F_ST）使用Arlequin v3.5计算；群体遗传参数使用R包PopGenome和hierfstat计算。样本采集自全国16个分布点，每点设置5个采样点，采集叶片用于测序分析。

四、研究结果

4.1 莼菜资源分布现状

系统性全国野外调查确认了莼菜资源分布于11个省份的16个县市，包括5个近三十年未被报道的新发现野生种群。其中，湖南安仁（HNAR）是唯一在低海拔高温环境中表现出良好耐热性的材料，云南腾冲（YNTC）是中国目前已知最大、最繁茂的野生莼菜种群，黑龙江宁安（HLJNA）是近三十年来首次在长江以北发现的野生种群。

4.2 农艺性状分析

6个性状在16份材料间均存在极显著差异（p < 0.01）。性状分布表现出生物量、叶片形态和茎结构的协调变异：GDNX具有较高的鲜重和较长的茎，HBLC具有较高的干重和较长的叶片，ZJPA具有较宽的叶片和较粗的茎。主成分分析（PCA）显示，PC1解释了42.0%的变异，主要与鲜重、干重、叶长和主茎长相关；PC2解释了21.5%的变异，对比了干重与叶宽和茎维度。干重（21.17%）和叶宽（21.16%）是区分材料间差异最关键的性状。

4.3 土壤和水体环境因子对农艺性状的影响

Pearson相关分析检测到环境因子与性状间的若干中等程度关联：水体砷（As）与主茎长和茎粗呈负相关（r = ?0.47和?0.41），水体铬（Cr）与主茎长呈负相关（r = ?0.36），水体pH与茎粗呈负相关（r = ?0.47）；土壤全氮与鲜重、叶长和主茎长呈正相关（r = 0.33–0.36），速效钾与叶宽和茎粗呈正相关（r = 0.35和0.32），速效磷与干重和叶宽呈负相关（r = ?0.42和?0.44）。这些关联仅描述位点条件与表型间的协变关系，不构成环境效应或局部适应的直接证据。

4.4 莼菜资源遗传多样性

群体遗传参数分析显示，观测杂合度（H_o）范围为0.0383–0.2166，期望杂合度（H_e）为0.0235–0.1620，核苷酸多样性（π）为0.404553–0.544791，多态信息含量（PIC）为0.0115–0.1219。GDNX系列材料表现出相对较高的杂合度，而ZJPA系列和AHZY呈现低值。JXGX在H_e、PIC、N_a和N_e方面均最高，且是唯一F_is为正值的群体（0.0665）。分子方差分析（AMOVA）显示，84.48%的遗传变异归因于种群间差异，种群间遗传分化系数F_ST为0.845，表明种群间存在极高的遗传分化、显著的群体结构和受限的基因流。STRUCTURE分析（K = 8）将材料划分为8个独立的祖先组分，系统发育分析结果与STRUCTURE高度一致。

4.5 迁地保护对遗传多样性的影响

对10份迁地保护材料与其野生来源的遗传结构比较显示，8份材料保持了与野生来源完全一致的祖先组分，证明现行迁地保护策略能有效维持遗传完整性。然而，Y-CQLB主要表现出HBLC的遗传组分，Y-AHZY呈现复杂的混合遗传背景，提示迁地保护过程中存在种质混杂或污染风险。

五、讨论与结论

5.1 讨论总结

研究确认了16个莼菜分布点，其中5个为新记录。AMOVA结果揭示了“小种群、高分化”的遗传格局，主要归因于三个因素：莼菜以无性繁殖为主，有性生殖频率极低，严重限制了个体间的基因流；人类和动物活动干扰导致种群个体数快速下降，仅少数个体存活，严重降低了群体多样性；莼菜对水质和生境条件要求严格，适宜生境高度碎片化，地理屏障进一步阻碍了种群间基因流。

研究鉴定了3个具有独特生物学价值的资源：HLJNA作为近三十年来长江以北首次发现的野生种群，可能具有耐低温品种开发潜力；YNTC作为中国目前最大的野生种群，兼具高产和稳产潜力，可作为核心亲本材料；HNAR是唯一在低海拔高温环境中表现出良好耐热性的材料，为解决莼菜产业“夏季休眠”问题和培育耐热新品种提供了宝贵遗传材料。

迁地保护评估结果总体令人鼓舞，大多数材料保持了遗传完整性，但Y-CQLB和Y-AHZY的遗传混合现象警示必须建立严格的溯源和隔离体系。基于全基因组重测序获得的大量SNP标记，可用于构建高密度遗传图谱、开展全基因组关联分析（GWAS）、挖掘抗逆相关功能基因，并通过标记辅助选择（MAS）和基因组选择（GS）技术加速育种进程。SNP指纹图谱还可用于建立分子身份证，为知识产权保护和品种真实性鉴定提供科学依据。

5.2 研究结论

本研究在中国11个省份确认了16个现存种群，包括5个近三十年未被报道的新记录分布点。全基因组重测序揭示了总体较低的遗传多样性、显著的种群间分化以及8个不同的遗传簇，表明基因流受限和遗传基础狭窄。湖南安仁、黑龙江宁安和云南腾冲的耐热、耐寒和强盛种群是保护和未来育种的重点材料。大多数迁地保护材料保持了与其野生来源一致的遗传背景，证实了现行保护体系的短期有效性。然而，Y-CQLB和Y-AHZY中检测到的遗传混合现象凸显了采集、繁殖和资源圃管理过程中标签错误或遗传污染的风险。这些发现为莼菜种质资源的保护、管理和可持续利用提供了理论基础。