三倍体草本植物杂交起源的遗传学证据及其对亚马逊地区坎加特有物种保护的意义

《Perspectives in Plant Ecology, Evolution and Systematics》：Genetic evidence for a hybrid origin of a triploid grass species and its implications for the conservation of endemic species from the Amazonian canga

　　摘要：特有植物物种通常属于因杂交和多倍体等过程而形成的分类学上较为复杂的群体，因此给保护工作带来了特殊挑战。了解这些物种的界定、遗传多样性以及种群结构对于制定有效的管理措施至关重要，这些措施既包括就地保护方案，也包括异地保护计划。此外，这些措施还应以对物种繁殖方式的先验认识为依据，因为植物的多倍体现象往往与繁殖方式密切相关。我们利用细胞遗传学数据和基因分型测序技术，研究了分布于巴西亚马逊东南部坎加斯地区的三个狗尾草亚属Harpostachys物种的倍性水平，并探讨了它们之间的种间界限——其中一种是分布广泛的Paspalum axillare，另外两种则是特有种P. sp. nov.和P. carajasense。此外，我们还研究了这些物种的克隆特性，分析了其遗传多样性和种群结构特征，并估算了两种特有物种的有效种群大小。研究结果表明，P. axillare和P. sp. nov.为二倍体（2n=2x=20），而P. carajasense的染色体数目则表明其为三倍体（2n=3x=30）。基因组数据显示，这三个物种在遗传上存在显著差异，这表明三倍体P. carajasense是由非重复起源产生的，之后仅发生了有限的克隆繁殖。分析结果还表明，P. carajasense和P. sp. nov.在整个分布范围内属于同一个进化显著单元。我们的数据还显示，P. carajasense的杂合度高于P. sp. nov.，且其近交系数为负值，这与异源多倍体物种的特征相符。此外，这两种特有物种的有效种群规模都较小（NE<50），其中二倍体P. sp. nov.的有效种群规模甚至小于三倍体P. carajasense。基于这些结果，我们认为在对该两种特有物种进行就地和异地保护时，将不同地区的个体混合在一起不会带来遗传风险，同时也凸显了种子库作为保护策略的潜力。

引言：特有植物物种往往属于因杂交和多倍体等过程而形成的分类学上较为复杂的群体（例如Afonso等人2021年、Karbstein等人2022年、Wang等人2024年的研究）。异源多倍体，即通过遗传差异较大的物种杂交形成多倍体，通常是亲缘关系较近的物种（Stebbins 1947），它被认为是推动植物进化的关键因素（Alix等人2019年），同时也有重要的保护意义（例如Mastin等人2018年、Chen等人2019年、Mable等人2019年的研究）。异源多倍体所具有的进化动态性和分类学复杂性，往往使得基于静态物种概念的传统保护策略难以应用（Ennos等人2012年）。此外，许多异源多倍体物种起源时间较短，分布范围有限，仍在适应新的生态环境（Fowler & Levin 2016年），而且它们往往存在种内倍性变异，这种变异可能影响其生育能力（Ramsey等人2011年）。所有这些因素都给本已面临人类活动压力的特有物种的保护带来了更多挑战。因此，了解那些分布范围有限的异源多倍体的起源和生物学特性，对于确保它们的生存和延续以及制定有效的保护措施至关重要。然而，尤其是在物种丰富的地区，这类物种的相关生物学数据往往十分缺乏。实际上，无论是就地保护还是异地保护计划，都需要依赖诸如生殖隔离、交配系统、倍性水平以及细胞型变异等关键生物学特征（Chen等人2019年）。如果忽视这些因素，就可能导致意想不到的后果，比如不同染色体数目的物种杂交后出现近交衰退现象（Severns and Liston, 2008; Kramer et al., 2018）。在这种情况下，通过探究染色体多样性的起源，以及评估种间和种内的遗传多样性及种群结构，对于解决与多倍体相关的分类学难题至关重要。这类数据有助于了解物种对环境变化的敏感程度，从而为管理决策和保护策略提供依据（参见Rossetto等人2021年的研究）。

狗尾草属（禾本科）是因多倍体作用而持续演化的典型属。该属包含约330–350种物种，其中大部分原产于美洲，主要生长在热带和温带地区的开阔植被中（Morrone等人2012年）。狗尾草属中有大量多倍体物种，约占已描述物种总数的75%，其倍性水平从三倍体到十二倍体不等（Ortiz等人2013年）。无性繁殖——一种能够产生与母本基因完全相同的种子的繁殖方式——在狗尾草属中与多倍体现象密切相关。事实上，有一些物种同时存在多种细胞型，既有二倍体的有性繁殖个体，也有多倍体的无性繁殖个体（Rua等人2010年，Sartor等人2013年）。多倍体与无性繁殖之间的相互作用会影响种内的遗传多样性以及种群间的变异分布，进而直接影响保护策略的制定，包括有关就地保护和种质库建设的决策（Acu?a等人2019年）。因此，研究狗尾草属物种的倍性水平以及克隆现象，对于理解该属的演化过程以及管理其遗传资源具有重要意义。

狗尾草属在亚马逊地区的坎加斯植被中尤为常见（Viana等人2018年），这种独特的开阔植被生长在富含铁质的土壤上，且深受采矿活动的直接影响（Skirycz等人2014年）。这种植被在亚马逊东南部的卡拉贾斯山脉分布最为广泛，那里拥有巴西最大的矿区以及世界上一些规模最大的铁矿场（Holmes等人2022年）。卡拉贾斯山脉的植被类型与其他地区的坎加斯植被有着显著差异，比如巴西东南部铁矿区的植被类型（Mota等人2018年）。在卡拉贾斯国家森林这一保护区域内，狗尾草属是坎加斯地区多样性第二高的属，共有19种物种（Mota等人2018年，Viana等人2018年）。在卡拉贾斯国家森林中发现的狗尾草属物种中，有三种是一年生植物，属于Harpostachys亚属（Denham 2005年）：Paspalum axillare Swallen、P. carajasense S. Denham以及Paspalum sp. nov.（Viana等人2018年）。后者很可能是一个新的物种分类单元，之前被命名为Paspalum sp. 1（Viana等人2018年），目前正处于正式描述阶段（Viana个人沟通）。虽然P. axillare分布于南美洲北部地区（巴西、委内瑞拉和苏里南），但P. carajasense和Paspalum sp. nov.都仅分布于亚马逊东南部的坎加斯地区（Mota等人2018年，Viana等人2018年，Giulietti等人2019年），因此在区域生物多样性保护方面具有特殊重要性。

在本研究中，我们结合细胞遗传学数据和群体基因组学数据（包含数千个单核苷酸多态性位点），旨在阐明亚马逊东南部卡拉贾斯国家森林坎加斯地区三种狗尾草亚属Harpostachys物种的分类学疑难问题，并探究其倍性变异的起源（见图1）。我们还利用这些单核苷酸多态性数据来检测克隆现象的存在，分析这些特有物种的遗传结构和多样性，同时估算它们的有效种群大小。我们推测，这两种特有物种可能是由广泛分布的P. axillare经过多倍体化作用而产生的，而且由于多次多倍体现象的发生，每个形态类别内部都可能存在倍性变异。除了有助于了解狗尾草属多倍体现象的演化过程外，本研究关于物种界定、遗传多样性及种群结构的研究结果，也为提高坎加斯地区特有物种的就地和异地保护效率提供了重要依据。