墨西哥克雷塔罗-伊达尔戈沙漠特有两种球状仙人掌近期种群遗传分化

《Diversity》：Recent Population Genetic Divergence in Two Globose Cacti Endemic to the Queretano–Hidalguense Desert, Mexico

　　

Mammillaria parkinsonii与M. perbella为墨西哥Queretano–Hidalguense沙漠（QHD）特有物种，该区域是球状仙人掌潜在的更新世冰期避难所。研究人员检验了这两物种的系统地理学与遗传结构是否在时间上与更新世冰期避难所假说一致，即末次冰期（115–11.7 kya）期间应伴随单倍型高度分化及种群收缩。研究采用叶绿体DNA（cpDNA）序列与ISSR核标记估算遗传多样性与结构、构建单倍型网络并推算分化时间；利用生态位模型（ENM）模拟古分布变化。cpDNA与ISSR标记显示M. parkinsonii与M. perbella遗传多样性低至中等（π分别为0.0004、0.0044；HS分别为0.362–0.434、0.293–0.400），种群分化极高（GST分别为1、0.722；ΦST分别为0.378、0.3957），无基因流证据（Nm分别为0、0.29）。分化时间与ENM表明M. perbella种群分化始于末次冰期，两物种分化延续至全新世，伴随种群收缩、地理隔离与基因流中断。综合证据指示更新世–全新世冰期旋回可能驱动了QHD内Mammillaria属这些物种的近期分化。

研究背景与立项依据：Mammillaria属是仙人掌科球状仙人掌中物种最丰富的类群，约88.2%种类为墨西哥特有，其起源与多样化与墨西哥高原新近纪造山及更新世气候旋回相关。尽管已有研究指出北部索诺兰与奇瓦瓦沙漠的冰期避难所动态驱动了柱状仙人掌等类群分化，但墨西哥高原南部QHD（Queretano–Hidalguense Desert）这一Mammillaria多样性中心，其更新世冰期旋回对现代球状仙人掌种内谱系遗传分化的影响仍不清楚。QHD由瓜纳华托、克雷塔罗、伊达尔戈州内相对孤立的山谷洼地组成，新近纪地质事件与更新世气候变化共同塑造了该区Mammillaria的分布。M. parkinsonii与M. perbella同属Leucocephale系列，为QHD特有且分布不连续、系统发育关系近，其中M. perbella估计起源于更新世，因而构成检验冰期避难所假说对种内谱系分化影响的合适体系。研究人员以QHD为起源与多样化中心，利用母系cpDNA与双亲ISSR核标记刻画遗传多样性与结构、估算谱系分化时间，并辅以ENM重建古分布，旨在判断两物种的系统地理与遗传结构是否在时间上符合QHD更新世冰期避难所预期。

主要技术方法概览：研究人员在QHD采集M. parkinsonii 6个种群、M. perbella 4个种群各12个体（最小间距10 m）组织样，液氮保存并提取基因组DNA。cpDNA部分扩增accDψ假基因、accD基因及rrn5-rrn4.5与trnF-psbJ基因间区，拼接后用于单倍型多样性与网络构建；核基因组采用10条UBC系列ISSR（interspersed simple sequence repeat，散布简单序列重复）引物进行PCR，电泳判读为二元矩阵。群体遗传参数（π、h、H_d、G_ST、Φ_ST、N_m）与中性检验（Tajima’s D、Fu’s F_s）于DNASP计算；分化时间分两阶段在BEAST 2.5中以1×10^?9替换率校准，以Cacteae（11.94 Ma）与Core Mammilloyd（7.3 Ma）为二级标定。ENM采用MaxEnt 3.4.3，合并两物种共40条出现点，筛选BIO12/BIO13/BIO16/BIO19等降水变量，投影至LIG（120–140 kya）、LGM（约22 kya）、MH（约6 kya）的CCSM-4古气候层。

研究结果

3.1 基于cpDNA标记的遗传多样性与结构：两物种分别成功扩增57与37个体，拼接长2575 bp与2448 bp。M. parkinsonii仅3个多态位点、3单倍型，π=0.0004、H_d=0.509，6个种群各自固定单倍型（H_1在HIG/JAL/EST2/VEN，H_2在BUC，H_3在EST1）。M. perbella有25多态位点、7单倍型，物种水平π=0.0044、H_d=0.815；POZ含H_1/H_2，ZIM固定H_3，FLO固定H_4，VEN含H_5/H_6/H_7。单倍型网络显示M. parkinsonii以H_1为主（北中部），M. perbella以东部ZIM的H_3突变步数最多（17步），经VEN的H_5关联中部与西部谱系。

3.2 种群遗传结构与中性检验：物种水平G_ST分别为1与0.722，N_m分别为0与0.19，Tajima’s D与Fu’s F_s为正但不显著，指示扩张后长期隔离与等位基因固定，无基因流抵消漂变。

3.3 单倍型分化时间：属级树中M. parkinsonii–M. perbella支系与M. heyderi–M. uncinata支系于约1.25 Mya（早更新世）分化；单倍型树标定为M. parkinsonii与M. perbella单倍型总体分化于74.4 kya（末次冰期内），M. perbella内部H_3与M. parkinsonii单倍型于51.3 kya分异，VEN的H_5–H_6于26.4 kya分出，H_7–H_4于15.5 kya、H_04–POZ谱系于11.5 kya（早全新世）、H_01–H_02于5.3 kya（中全新世）相继分化；M. parkinsonii的H_02（BUC）于10.4 kya分出，H_03–H_01于3.3 kya分异。分化时序整体落入末次冰期至全新世。

3.4 基于ISSR标记的遗传多样性与结构：172个体（M. parkinsonii 72，M. perbella 43）共167多态位点。M. parkinsonii的PPL 68.21–78.81%、He均0.303、H_S 0.362–0.434；M. perbella的PPL 49.36–71.79%、He均0.279、H_S 0.293–0.400。AMOVA显示群体内变异占60%以上但Φ_ST达0.378与0.3957，N_m<0.42。PCoA中BUC（M. parkinsonii）与ZIM（M. perbella）作为地理孤立种群在多维空间距离最远；Mantel检验未检出显著距离隔离（r=0.445, p=0.058；r=0.322, p=0.292）。

3.5 古分布：现生适宜区位于QHD北部克雷塔罗–伊达尔戈；LIG分布广且连续，LGM适宜区锐减且退守北部克雷塔罗（降温约5℃），MH略扩张；四期气候稳定区位于QHD中部，与Mammillaria物种丰富度中心重合。

讨论部分总结：研究人员指出系统发育支持两物种为姐妹种、早更新世形成，单倍型树显示M. perbella的H_3并入M. parkinsonii支系，提示M. parkinsonii可能源自M. perbella或存在不完全谱系分选；末次冰期种群退守中部VEN式避难所并在冰期内部分化，全新世向东（FLO）、西（POZ）、北（M. parkinsonii）扩张。ENM的LGM收缩–LIG扩张–MH再扩张与单倍型分化时间匹配。低多样性、高G_ST/Φ_ST、零N_m与正不显著中性检验一致指向瓶颈后隔离与漂变固定，蜜蜂传粉（Ceratina属平均归巢57–80 m）与短距种子扩散限制基因流。QHD作为新近纪造山与更新世旋回叠加的稳定地貌，构成Mammillaria新近特有种形成枢纽，与Tehuacán–Cuicatlán谷地类比。保护上各固定单倍型种群应视为独立单元，M. parkinsonii（IUCN濒危）与M. perbella（IUCN易危）现有保护区未覆盖中部山谷，需提升保护等级。

结论部分翻译：M. parkinsonii与M. perbella种群呈现与更新世冰期旋回动态一致的空间与时间遗传分化格局；两分类单元可能为姐妹种，M. perbella近于M. parkinsonii祖先并于气候稳定区多样化。鉴于本研究提示更新世–全新世周期气候变迁驱动了两物种种内与种间分化，此类变迁可能是该属在高丰富度区演化的共同因子。结果证实QHD曾作为仙人掌区系及球状仙人掌遗传多样性的避难所。

（论文发表于《Diversity》）