《Plants》：Species of the Genus ×Agrotrigia (Hordeeae, Poaceae)—A Case of a Different Pattern of Parental rDNA Elimination
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摘要：所有植物类群都经历了数轮全基因组复制（WGD），伴随着种间和属间杂交；随后，杂交植物中一个或两个亲本基因组的部分可以被消除。本研究的目的是评估属间杂交属×Agrotrigia（禾本科）物种与亲本属冰草属（Agropyron）和偃麦草属（Elytrigia
摘要：所有植物类群都经历了数轮全基因组复制（WGD），伴随着种间和属间杂交；随后，杂交植物中一个或两个亲本基因组的部分可以被消除。本研究的目的是评估属间杂交属×Agrotrigia（禾本科）物种与亲本属冰草属（Agropyron）和偃麦草属（Elytrigia）类群的关系，并确定亲本基因组在杂交物种基因组中的分布以及保留或丢失情况。基于核DNA（ITS、ETS）和多个叶绿体DNA标记的分子系统发育分析证实，该杂交属最可能的亲本确实是冰草属和偃麦草属的物种。通过下一代测序（NGS）评估的核糖体型（18S–ITS1–5.8S rDNA区序列）组成表明，×Agrotrigia hajastanica和来自土库曼斯坦的×A. androssovii样本的基因组携带冰草属和偃麦草属两种核糖体型。然而，来自普斯科夫州的×A. kotovii和×A. androssovii样本仅携带偃麦草型核糖体型，而采集自斯塔夫罗波尔边疆区的一个×Agrotrigia属样本的基因组则完全由两个冰草型核糖体簇（P基因组）组成，可能代表一个新种。因此，这两个（或三个）物种可能经历了其中一个亲本基因组部分的消除，尽管消除程度可能有所不同。
×Agrotrigia属（禾本科大麦族）是属间杂交形成的多倍体类群，其亲本涉及冰草属（Agropyron，携带P基因组）和偃麦草属（Elytrigia，主要携带St基因组）。杂交和多倍化是被子植物进化的重要驱动力，现有全部植物类群都经历过多次全基因组复制事件。杂交后形成的异源多倍体基因组会发生复杂的遗传变化，包括亲本之一全部或部分染色体的丢失、转座子扩增、易位以及部分基因的丢失。以往对杂交起源的判定主要依赖形态学特征的综合分析，随后通过比较叶绿体标记（母系遗传）和核标记（双亲遗传）在系统发育树中的位置来识别杂交物种。随着高通量测序技术的发展，即使杂交起源在形态上不明显，也可以利用Illumina平台的位点特异性多拷贝基因测序来鉴定杂交种及其亲本。
研究人员对禾本科大麦族中野生属间杂交属×Agrotrigia的多个物种开展了系统发育基因组学研究。该杂交属由茨维列夫（N. N. Tzvelev）正式描述，包括×A. androssovii、×A. hajastanica、×A. kotovii和×A. czernjaewi四个物种。研究材料包括来自标本馆的腊叶标本和2025年夏季在北高加索山麓（俄罗斯斯塔夫罗波尔边疆区）野外考察中采集的疑似新种样本，以及从LE标本馆获得的标本。研究旨在评估×Agrotrigia物种与亲本属冰草属和偃麦草属及其他大麦族类群的系统发育关系，并评估亲本基因组在杂交物种基因组中的分布和保留情况。该研究发表在《Plants》期刊。
研究人员在研究中主要运用了以下关键技术方法：对核基因组ITS1–5.8S rDNA–ITS2区和ETS区以及叶绿体基因组trnL–trnF、trnK–rps16、trnH–psbA和ndhF等多个标记进行Sanger测序，采用贝叶斯法和最大似然法构建系统发育树；利用Illumina MiSeq平台对ITS1区进行下一代测序（NGS），通过Trimmomatic修剪、vsearch去重和排序获得核糖体型数据；使用TCS 1.2.1软件通过统计简约法构建核糖体型网络，利用Arlequin 3.5.1.2软件基于p距离矩阵和最小生成树方法分析每个样本的核糖体型组成；对获得的核糖体型序列构建系统发育树以揭示不同基因组之间的关系。
2.1 Sanger测序数据
基于ITS1–5.8S rDNA–ITS2区序列（607个比对位点）构建的系统发育树将×Agrotrigia属物种分为两个亚支：×A. hajastanica和来自斯塔夫罗波尔边疆区的×Agrotrigia sp.与冰草属物种（P基因组）聚为一个大的亚支（PP = 1, BS = 95）；×A. androssovii（普斯科夫州）和×A. kotovii则与Elymus s. l.和Elytrigia s. l.物种形成另一个亚支（St基因组，PP = 1, BS = 54）。ETS序列分析（828个比对位点）显示冰草属物种与Elytrigia repens的St1变异型形成中等支持的进化枝（PP = 0.73, BS = 73），×A. kotovii和来自普斯科夫州的×A. androssovii与Elytrigia repens聚在一起，而来自土库曼斯坦的×A. androssovii则落入包含Dasypyrum villosum等物种的St2亚支。叶绿体标记trnL–trnF（1159个比对位点）和trnK–rps16（629个比对位点）分析显示，来自斯塔夫罗波尔边疆区的×Agrotrigia sp.与冰草属物种聚在一起（P基因组），来自土库曼斯坦的×A. androssovii也与冰草属物种聚在一起，而×A. hajastanica、×A. kotovii和来自普斯科夫州的×A. androssovii则与偃麦草属物种形成共同亚支（St基因组），表明它们具有来自St基因组携带者的共同母系起源。trnH–psbA序列（705个比对位点）和ndhF序列（670个比对位点）分析也支持类似的划分。
2.2 NGS数据
通过NGS获得的核糖体型网络分析揭示了不同样本中亲本核糖体型的分布模式。来自斯塔夫罗波尔边疆区的×Agrotrigia sp.的主要核糖体型（1786条reads，占21%）与冰草属物种的主要核糖体型完全一致，命名为P1；该样本仅包含冰草型（P基因组）核糖体型，分为Agropyron-1和Agropyron-2两个簇（分别占38%和26%）。来自土库曼斯坦的×A. androssovii同时具有Elytrigia intermedia型核糖体型（47%和1%）和冰草型核糖体型（18%）。来自普斯科夫州的×A. androssovii仅含有Elytrigia repens型核糖体型，分为三个簇（31%、16%和24%）。×A. kotovii也仅携带Elytrigia repens型核糖体DNA（48%和18%）。×A. hajastanica携带四个冰草型核糖体簇（46%、4%、5%、9%）和一个偃麦草型核糖体簇（1.8%）。以40条reads为阈值构建的核糖体型系统发育树将大麦族多倍体物种的基因组分为P基因组和St基因组等大进化枝，来自斯塔夫罗波尔边疆区的×Agrotrigia sp.、×A. hajastanica和来自土库曼斯坦的×A. androssovii的核糖体型归入P基因组进化枝，而St基因组相关核糖体型则与Elytrigia repens及其杂交种相关。
3.1 杂交属及其推测亲本类群概述
×Agrotrigia属现包含四个物种，其中×A. androssovii是该属的模式种，基于形态特征被认为是Elytrigia intermedia与Agropyron cristatum s.l.的杂交种；×A. hajastanica是Elytrigia repens s.l.与Agropyron cristatum s.l.的杂交种；×A. kotovii的亲本为Elytrigia repens s.l.和Agropyron cristatum subsp. sclerophyllum。研究人员在北高加索山麓发现的不寻常样本，其穗部特征介于冰草属、大麦属和偃麦草属之间，被推测为可能的新杂交种。
3.2 基于核和叶绿体序列数据的×Agrotrigia属系统发育图景
分子系统发育数据显示×Agrotrigia杂交种根据母本基因组对其基因组组成的贡献而被划分。×A. hajastanica和来自土库曼斯坦的×A. androssovii明显在基因组中同时存在两个亲本基因组的核糖体型，但比例不同。来自普斯科夫州的×A. androssovii样本与典型标本不符，仅具有E. repens核糖体型，可能代表另一个未描述种。来自高加索山麓的样本几乎所有标记序列都隶属于P基因组，表明发生了几乎完全的一个亲本基因组消除，并伴随可能的基因组内转化。
3.3 关于大麦族系统发育和×Agrotrigia亲本物种的注释，特别是St基因组携带者
研究发现大麦族物种具有高度杂交性，多倍体 Representatives可能经历一系列渐渗事件。在Elytrigia lolioides的ITS序列中发现了冰草属特有的P基因组序列，而此前未在该物种中证明P基因组的存在。St基因组组分在Elytrigia s.l.和Elymus s.l.物种中呈现强烈分化，Pseudoroegneria stipifolia与Elytrigia intermedia形成一个共同亚支，而Elytrigia repens与P. stipifolia关系较远，表明St基因组组分可能具有不同的起源。
3.4 不同×Agrotrigia物种中亲本rDNA的消除
异源多倍体基因组中亲本基因组不同程度的消除与杂交种的稳定化相关。新形成的杂交种处于"基因组休克"状态，随后基因组进入新的稳定状态。在研究的类群中，除来自土库曼斯坦的×A. androssovii外，亲本基因组的差异消除均基于植物基因组的母本组分进行。×A. kotovii和来自普斯科夫州的×A. androssovii的rDNA中仅含Elytrigia repens序列而不含冰草属序列；来自斯塔夫罗波尔边疆区的×Agrotrigia sp.可能经历了基因组内转化阶段，仅保留了ETS中个别偃麦草属特征性核苷酸替换；×A. hajastanica尚处于稳定化过程中，其主要核糖体型来自冰草属。
结论：在研究×Agrotrigia这一杂交属时，研究人员观察到几乎全谱系的后杂交变化。在某些情况下，分子系统发育数据澄清了比较形态学研究的数据，甚至改变了关于杂交类群起源的假说。研究结果证实了茨维列夫的结论，即杂交使许多高度特化的类群能够去特化并在一定程度上继续其进化，从而有助于增加地球上的生物多样性，为自然选择提供丰富的材料。
