极小种群野生植物是指分布地域狭窄,长期受到外界因素干扰,呈现种群退化和数量持续减少,种群及个体数量均极少,已低于稳定存活界限的最小生存种群,随时濒临灭绝的野生植物,是最易丧失的生物资源之一,亟需开展种群重建工作
[1]。种群重建有助于避免极小种群野生植物灭绝,维护生态平衡,对我国乃至世界的生物多样性保护都具有非常重要的意义
[2]。种群重建的关键在于全面评估物种遗传多样性和深入了解其遗传背景
[3]。物种遗传多样性可以反映物种应对栖息地变化的适应性和改变能力
[4]。种群结构能够体现种群现状,并在一定程度上反映种群的发展动态
[2]。因此,研究极小种群野生植物的遗传多样性和种群结构可以了解物种生存现状,预测未来发展趋势,为开展种群重建提供科学依据。
迁地保护是指对那些在原生栖息地生存和繁殖受到严重威胁的物种进行异地管理,旨在保护物种遗传多样性的一种保护和管理策略,可为种群重建提供优质种源和繁殖技术,是种群重建的基础和前提
[5-6]。然而,通过迁地保护建立的植物园或种质苗圃,本质上是人工创建的小型孤立种群集合,种质资源收集和引进过程可能存在采样不完整、重复引种、种质资源情况不明和种植条件不佳等问题,同样会导致物种面临遗传多样性下降或灭绝的风险
[6-7]。因此,评估迁地保护种群的遗传多样性是十分必要的。
云南金花茶(
Camellia fascicularis)为山茶科(Theaceae)山茶属(
Camellia)金花茶组植物,又称云南显脉金花茶、簇蕊金花茶,是云南特有的极小种群植物
[8]。云南金花茶含有丰富的营养成分,属于药食两用植物,不仅具有极高的观赏价值,还具有良好的药用价值和保健功效
[9]。然而,云南金花茶野外资源极少,分布范围狭窄,仅在河口县、马关县、个旧市有少量分布;由于云南金花茶自身繁殖能力弱,且植株和栖息地遭到人为破坏,致使其濒临灭绝,现已列为云南省珍贵树种,按照世界自然保护联盟(IUCN)评估标准,该种属于“极危种”(CR)等级
[10]。为有效保护云南金花茶,现已在昆明和文山建立了迁地保护种群,但截至目前,仅有少量基于SSR分子标记技术对云南金花茶野生种群遗传多样性进行的研究
[10],尚未对其迁地保护种群进行遗传多样性评估,迁地保护种群的遗传结构和遗传分化程度也不明确。
近年开发的分子生物学技术Hyper-seq是一种低成本、高效、灵活且高通量的DNA测序文库制备和基因分型方法,已广泛应用于物种遗传多样性分析及核心种质提取
[11]。方萍萍等
[12]利用Hyper-seq技术对64份白辣椒(
Capsicum annuum)种质资源进行群体结构和遗传多样性分析,揭示白辣椒种质资源的遗传多样性较低与其狭窄的遗传背景有关。本研究基于Hyper-seq技术解析云南金花茶3个野生种群与2个迁地保护种群的遗传多样性及群体结构特征,并评估迁地保护策略的有效性,旨在了解该物种的遗传背景,为科学指导种群重建及制定可持续保护策略提供遗传学依据。
1 材料与方法
1.1 植物材料
分别从红河河口(HK)、红河蒙自(MZ)、文山马关(MG)、文山树木园(WSSMY)和昆明树木园(KMSMY)采集5个云南金花茶种群样本,共计133个样本(
表1)。其中,WSSMY和KMSMY是迁地保护种群,HK、MZ和MG是野生种群。采集样品时选择完整无病虫害的叶片放入密封袋中,立即向密封袋中加入足量的变色硅胶,对叶片进行干燥保存,每份样品做好标记。
1.2 DNA提取、文库构建及上机测序
采用CTAB方法对133个样本进行DNA提取,使用Nanodrop和1%的琼脂糖凝胶电泳检测DNA的浓度和质量。控制DNA质量浓度在150~200 ng·µL-1,保证之后的建库效果。建库和测序委托武汉贝纳科技有限公司完成。应用Hyper-seq建库,使用特定的Hyper-seq引物对DNA进行PCR扩增,扩增后选择片段大小合适的产物混样,纯化后构建测序文库。检测合格的文库,在Illumina NovaSeq 6000测序平台上运行双端测序程序(PE150),得到150 bp的序列reads。
1.3 质量控制及SNP过滤
测序完成后,使用fastp(0.20.1;默认参数)对原始数据进行质控与过滤。使用GATK 4.1.2.0
[13]以默认参数检测单核苷酸多态性(SNP)位点。使用VCFtools 0.1.11
[14]去除具有多于2个等位基因、Phred分数低于30及群体缺失率高于5%的变异,以获得用于下游分析的高质量SNP数据。
1.4 数据处理
基于筛选后的高质量单核苷酸多态性(SNP)数据,利用Stacks 2.59软件
[15]分别计算观测杂合度(
HO)、期望杂合度(
HE)、核苷酸多样性(
Pi)和近交系数(
Fis)。使用FastTree 2.1.11
[16]软件构建133个个体的系统发育树,最后利用ImageGP在线工具(
https://www.bic.ac.cn/ImageGP/)的Phylogenetic Tree View对系统发育树进行可视化。使用Plink 1.07软件
[17]计算样品间的遗传距离,并基于遗传距离矩阵对所有种群进行主成分分析(PCA)。利用Admixture 1.3.0软件
[18]分析云南金花茶的群体结构,通过假设分群数(
K)(1~10)聚类,最后根据交叉验证错误率最小值所对应的
K来确定最佳分群数。使用VCFtools 0.1.11软件
[6]计算5个种群之间的遗传分化系数(
Fst)。
1.5 构建核心种质
先利用Plink 1.07软件
[17]计算133个云南金花茶野生种群和迁地保护种群个体的遗传距离矩阵,基于遗传距离矩阵在CoreHunter3软件
[19]中构建核心种质,取样比例为20%。CoreHunter3构建核心种质的原理是通过优化模型,提升等位基因丰富度和遗传相异性,确保核心子集能覆盖原始群体95%以上的遗传变异。提取的核心种质利用Stacks 2.59和Plink 1.07软件分别计算核苷酸多样性和遗传距离,最后基于遗传多样性参数信息对比评价核心种质和整个种质。
2 结果与分析
2.1 遗传多样性分析
计算云南金花茶遗传多样性指数,结果显示:在物种水平上,云南金花茶遗传多样性较高(
HE=0.397 3,
HO=0.502 2,
Pi=0.559 5)(
表1)。在种群水平上,云南金花茶5个种群的
HE为0.142 3~0.292 5,平均值为0.232 6;
HO为0.273 4~0.443 1,平均值为0.365 9;
Pi为0.270 5~0.449 8,平均值为0.372 5。云南金花茶5个种群的遗传多样性水平由高到低排序为MG、KMSMY、WSSMY、MZ、HK,其中,KMSMY种群的
HE、
HO和
Pi分别是整个物种水平遗传多样性的73.6%、88.2%和78.2%;WSSMY种群的
HE、
HO和
Pi分别是整个物种水平遗传多样性的57.7%、71.2%和62.9%。此外,云南金花茶HK种群的近交系数小于0,WSSMY种群的近交系数等于0,其余3个种群的近交系数均大于0,表明除了HK和WSSMY种群外,MG、MZ和KMSMY种群都存在杂合缺失和近亲繁殖。
2.2 群体遗传结构分析
系统发育树分析结果显示,133个云南金花茶个体被聚为3个分支:分支1的70个个体分别来自KMSMY和MG种群;分支2的58个个体分别来自WSSMY、MG和HK种群;分支3的5个个体全部来自MZ种群(
图1)。以上结果表明,野生种群MG中的个体遗传差异较大,一部分与KMSMY种群个体有密切的亲缘关系,另一部分与WSSMY种群个体亲缘关系密切,可能跟迁地保护种群(KMSMY和WSSMY)的个体大部分来源于野生种群MG有关;而MZ种群与其余种群亲缘关系都较远。
主成分分析可以反映云南金花茶个体之间的亲缘关系。主成分分析(PCA)结果显示,PC1、PC2和PC3的贡献率分别为20.96%、10.59%和6.60%,累计贡献38.15%(
图2)。云南金花茶133个个体聚成3类,其中,MG种群的部分个体与KMSMY种群个体聚在一起,个体间分布较密集;MG种群另一部分个体与WSSMY和HK种群个体聚在一起,个体间分布较分散;MZ种群个体单独聚在一起,部分个体间较分散。
为补充系统发育树分析和主成分分析,本研究进一步进行聚类分析。结果发现,当
K=4时,交叉验证错误率最小,说明将云南金花茶的133个个体分为4类最合适(
图3)。为了分析更加全面,本研究考虑了
K=3和
K=4时的情况。当
K=3时,云南金花茶5个种群的133个个体分为3类,分类情况与系统发育树分析和主成分分析结果一致。MG种群存在3种遗传成分,且大部分个体存在混合遗传背景;而KMSMY、WSSMY、MZ和HK种群的个体遗传背景单一(
图4)。当
K=4时,云南金花茶5个种群的133个个体分为4类。与
K=3时不同的是,MG种群出现4种遗传成分,KMSMY出现2种遗传成分,MG和KMSMY种群中的大多数个体存在混合遗传背景。上述结果表明,MG和KMSMY种群结构复杂,遗传背景丰富,而HK、MZ和WSSMY种群结构较单一。
2.3 群体遗传分化分析
云南金花茶5个种群的遗传分化指数
Fst为0.198~0.612,其中3个野生种群的平均
Fst、2个迁地保护种群的平均
Fst及野生种群和迁地种群之间的平均
Fst分别为0.445、0.469和0.410(
图5)。相比之下,MZ和HK种群之间的
Fst最高,KMSMY和MG种群之间的
Fst最低。
2.4 核心种质提取
从云南金花茶的133份种质中提取出27份核心种质(
图6),其中,14个来自MG种群,7个来自WSSMY种群,4个来自KMSMY种群,剩余的2个核心种质分别从HK和MZ种群各取1个。比较整个种质和核心种质的遗传相似系数和遗传距离,结果表明,整个种质间的遗传相似系数(GS)为0.202 6~0.995 8,平均值为0.750 6;遗传距离(GD)为0.004 2~0.797 4,平均值为0.249 4。核心种质间的遗传相似系数(GS)为0.392 4~0.934 4,平均值为0.732 0;遗传距离(GD)为0.065 6~0.607 6,平均值为0.268 0(
表2)。从遗传相似系数、遗传距离和核苷酸多样性看,两者的范围趋近(
表2和
图7),表明27份核心种质可以代表133份云南金花茶种质的遗传多样性。
3 讨论
3.1 云南金花茶的遗传多样性
遗传多样性是衡量一个物种进化潜力和适应环境变化能力的重要指标
[4]。遗传多样性水平越高的物种,适应环境变化的能力越强,反之越弱
[20-21]。云南金花茶作为中国特有的珍稀濒危植物,其遗传多样性水平直接关系到物种的生存潜力和生态功能。李斌
[10]利用SSR分子标记技术分析云南金花茶野生种群的遗传多样性,发现云南金花茶野生种群具有较高的遗传多样性(
HO=0.358 8,
HE=0.585 8);该研究获得的期望杂合度是本研究的2倍多(
HE=0.232 6),观测杂合度与本研究结果接近(
HO=0.365 9)。先前的研究
[22-23]已经表明:SSR标记估计的杂合性比SNP标记高2~3倍。因此,本研究的结果与李斌获得的结果具有可比性。与其他基于SNP评估的濒危物种相比——包括东兴金花茶(
Camellia tunghinensis)
[6](
HE=0.247~0.262,
HO=0.257~0.293)、红萼杜鹃(
Rhododendron meddianum)
[24](
HE=0.071 3,
HO=0.050 5)和大花杓兰(
Cypripedium macranthos)
[25](
HE=0.153 4,
HO=0.133 5,
Pi=0.154 3),云南金花茶除HK种群外均表现出较高的
HE、HO和
Pi(
表1),这些结果说明,尽管种群数量少且呈片段化分布,云南金花茶仍维持了较高的遗传多样性水平,这与李斌的研究结果一致
[10]。HK种群的遗传多样性相对较低可能是由于种群数量过少。
迁地保护是野生植物资源保护的主要方式之一,其终极目标是保护珍稀濒危植物遗传多样性
[26]。迁地保护种群的遗传多样性对于评估迁地保护成功与否至关重要,如果迁地保护种群的遗传多样性与野生种群一致、相近或更高,那么迁地保护项目可被视为初步成功;反之,则需要进一步改进
[6]。但大部分迁地保护种群都是小且孤立种群,遗传多样性容易受到遗传漂变、近亲繁殖及选择等因素的影响而发生改变
[6, 27]。有研究
[23]发现,澳大利亚的石山苏铁(
Cycas sexseminifera)迁地种群的遗传多样性低于大多数野生种群。也有一些物种有与之相反的情况,如金花茶(
Camellia nitidissima)
[28]和岷江柏木(
Cupressus chengiana)
[29]迁地保护种群的遗传多样性总体水平高于野生种群。本研究中,迁地保护种群(KMSMY和WSSMY)的遗传多样性接近,甚至高于野生种群,说明KMSMY和WSSMY种群的云南金花茶迁地保护已取得初步成功,繁育和管理方式可为种群重建提供技术支撑。然而,也有研究
[4]认为:迁地保护种群的遗传多样性需达到物种水平的90%以上,才能被视为有效保护。本研究中,云南金花茶KMSMY种群的期望杂合度(
HE)、观测杂合度(
HO)和核苷酸多样性(
Pi)分别只是整个物种水平遗传多样性的73.6%、88.2%和78.2%;WSSMY种群的
HE、
HO和
Pi分别只是整个物种水平遗传多样性的57.7%、71.2%和62.9%,说明这2个迁地保护种群的遗传多样性均未达到90%以上,亟需开展基于遗传管理的有效保护。综上所述,尽管云南金花茶迁地保护种群和野生种群的
HE、
HO和
Pi均较高,意味着云南金花茶现存植株在SNP水平上的遗传多样性较丰富,保护已取得初步成功,但迁地保护种群的遗传多样性仍未达到预期的保护目标。
近交繁殖会降低后代杂合性并减少遗传多样性,严重时会引发近交衰退,导致物种生存能力降低,主要表现为后代的生长发育、生活力、繁殖力及适应性显著下降
[30]。本研究中,MG、MZ和KMSMY的云南金花茶种群均存在近交现象,建议引入新的种群个体进行交配,避免近交,防止物种遗传多样性降低和近交衰退。
3.2 云南金花茶的群体遗传结构和遗传分化
研究群体遗传结构和遗传分化对于制定科学有效的种质资源保护策略至关重要
[31]。一个物种或群体的进化潜力在很大程度上取决于群体的遗传结构
[4]。确定一个物种的群体遗传结构,是了解生物学特性,研究进化过程和机制的重要步骤
[32]。群体遗传结构分析表明,在云南金花茶中检测到多种遗传成分,与野生种群HK和MZ相比,迁地保护种群KMSMY的遗传结构相对复杂,WSSMY种群遗传结构与之相当;但与野生种群MG相比,2个迁地保护种群的遗传结构均相对简单。系统发育树和PCA分析结果表明,MG种群部分个体与KMSMY种群遗传关系较近,另一部分个体与WSSMY和HK种群遗传关系较近,结合群体遗传结构分析推测:MG云南金花茶可能是较为原始的祖先种群或者是种群扩散的交汇中心
[33]。因此,应把MG种群作为重点保护单元。进一步调查发现,KMSMY和WSSMY种群的种质资源几乎都来源于MG种群,这应该是导致迁地保护种群与MG种群亲缘性较近的原因。然而,KMSMY和WSSMY种群间无相同的遗传成分,说明这2个迁地保护种群引种单一,且不完整,可能只集中于MG种群的某个区域,未充分保存MG种群的遗传多样性;同时,也说明MG种群局部间遗传差异较大,基因交流受阻。因此,在构建迁地保护种群时,引种应科学合理,避免单一和不完整,保证新建种群个体间的遗传距离最大,遗传资源最丰富
[4];而MG种群内个体应采用人工辅助授粉的方式加强基因交流。MZ种群与其余4个种群的遗传关系均较远,且有独特的遗传成分,可能存在特异的遗传祖先,建议重点保护,防止遗传多样性进一步丧失。根据遗传结构分析可知,KMSMY和WSSMY种群均缺乏MZ种群的遗传成分,应合理引入MZ种群的云南金花茶,丰富这2个迁地保护种群的遗传多样性和遗传结构。
本研究进一步评估了这些种群间的遗传分化情况。通常认为,0≤
Fst≤0.05时,群体间几乎无遗传分化;0.05<
Fst≤0.15时,群体间存在中等程度的遗传分化;0.15<
Fst≤0.25时,群体间存在高度遗传分化;
Fst>0.25时,群体存在非常高的遗传分化
[34]。依据这一分类标准,云南金花茶的野生种群之间(
Fst=0.445)和迁地保护种群之间(
Fst=0.469)均呈现非常高的遗传分化,说明基因交流受限。据研究
[6, 28]报道,金花茶主要由飞行距离较短的蜜蜂授粉,并且该物种的种子大且重,导致传播距离短,这可能是基因交流受限的原因之一。此外,有研究
[35]通过探索下加利福尼亚半岛形成对石棕(
Brahea armata)遗传结构的影响,发现地理隔离是导致种群间遗传分化的重要因素之一。云南金花茶不同种群之间地理距离较远,长期隔离,可能导致基因流动受限,各自独立进化,从而形成高水平的遗传分化,这与石棕情况相似
[35]。因此,推测授粉方式、种子生物学特性和地理隔离限制了云南金花茶的基因交流,从而造成高水平的遗传分化。值得注意的是,当遗传分化达到一定阈值时,可能导致这些迁地保护种质资源丧失对原生栖息地的适应性,从而限制后续原生境种群回归工作的实施
[36]。为了避免这种潜在风险,建议通过人为手段促进迁地保护种群之间和迁地保护种群与野生种群之间的基因流动,例如,人工辅助云南金花茶5个种群之间的授粉,以及用新的野生种质资源补充现有的迁地保护种群。
3.3 云南金花茶的核心种质构建
核心种质是指用最少的种质资源样品量最大程度地代表种质资源的遗传多样性
[37]。构建核心种质能够有效解决基因库中种质资源的庞大数量与有效保存之间的矛盾,提升种质资源管理与利用效率,进而降低成本,这一理念已在园艺作物资源收集与利用领域得到广泛认可
[6,38]。目前,已经构建了水稻(
Oryza sativa)、大豆(
Glycine max)、玉米(
Zea mays)、花生(
Arachis hypogaea)等主要农作物的核心种质
[38]。近年来,核心种质构建在濒危植物迁地保护方面也逐渐得到应用
[6]。本研究从云南金花茶133份种质中提取出27份核心种质,整个种质与核心种质的遗传相似系数、遗传距离和核苷酸多样性基本接近,表明27份核心种质可能代表133份云南金花茶种质的遗传多样性,能够较好地保留整个种质的遗传信息。因此,建议按照云南金花茶提取的核心种质补充迁地保护的种质资源,在节省人力、物力的同时提高物种遗传多样性,进而增强该物种的环境适应性。构建核心种质可高效保留种群的关键遗传信息和多样性,为种群重建提供核心种质基础。
3.4 云南金花茶的保护策略
云南金花茶的群体遗传分析可为评价和指导云南金花茶拯救保护工程中的遗传资源保护提供理论依据
[4]。本研究根据云南金花茶的群体遗传分析结果,对现存的野生种群、迁地保护种群及新建人工种群的种质资源保护提出以下建议:针对野生种群MG局部间遗传差异大、基因交流受阻的问题,建议采用人工辅助授粉的方式加强基因交流,从而增加遗传多样性;野生种群MZ和HK的个体数量较少,且MZ种群与其他种群亲缘关系远,遗传成分独特,应建立保护小区,进行就地保护,避免生境遭到人为破坏;现存的迁地保护种群(KMSMY和WSSMY)遗传多样性略低于野生种群MG,主要是由于引种单一,应按照迁地保护种群缺乏的遗传成分补植MZ和MG的核心种质;新建人工种群应综合考虑环境压力、资金投入和种质资源的遗传多样性,按照构建的核心种质进行引种,在节省人力、物力的同时,最大限度保护云南金花茶的遗传资源。
4 结论
本研究揭示了云南金花茶野生种群与迁地保护种群具有较高的遗传多样性(HE=0.232 6,Pi=0.372 5),迁地保护种群遗传多样性未显著降低且部分指标优于野生种群,但迁地保护种群的HE、HO和Pi均未达到物种水平的90%,说明云南金花茶的迁地保护已取得初步成功,但迁地保护种群的遗传多样性仍未达到预期的保护目标。群体遗传结构和遗传分化分析表明,云南金花茶133个个体分为4类,MG野生种群与KMSMY迁地保护种群展现出更丰富的遗传背景,不同种群间均存在显著遗传分化(Fst=0.410 3)。本研究构建的27份云南金花茶核心种质可代表该物种的遗传多样性,为保证人工重建与恢复种群遗传完整性奠定了基础。研究结果基于遗传多样性分析评价了云南金花茶迁地保护的有效性,并提出通过核心种质筛选加强云南金花茶人工重建与恢复种群的遗传管理策略,可为其他濒危植物的种群重建提供参考。