北美云杉GBS群體進化分析案例分享
標題:
Long-distance pollen dispersal during recent colonization favors a rapid but partial recovery of genetic diversity in Picea sitchensis
期刊:
New Phytologist (IF = 7.2)
研究背景:
北半球的樹種目前正受到迅速的人為氣候變化的影響,它們的分布范圍也隨之改變。這就提出了一個問題:當樹木種群在新區域定植時,它們是如何對選擇壓力做出快速反應的。北美一種廣泛分布的針葉樹Picea sitchensis是太平洋沿岸森林的主要組成部分。它通常活到500歲左右,而特殊的樹可以活到750歲。關注Picea sitchensis的北部擴張邊緣,可以探討在物種擴張時期遺傳結構和多樣性是如何發展的,并評估了群體歷史在形成既定種群進化軌跡中的作用。
研究材料:
在2013年和2015年,選取了15個采樣點,共計639個樣本,居群內樣本數為12-86個。
主要研究結果:
1)研究長壽生物(如溫帶樹種)的進化是一項挑戰,因為它們的世代通常很長。本研究,通過對樹齡的估算,準確地重建了不同時期的定植群體,為群體遺傳結構及遺傳歷史的研究提供了條件。樹齡顯示Seward區域樹最古老,樹齡向分布區域擴張邊緣有遞減趨勢,但在局部范圍內,該模式被打破。
2)群體遺傳結構和遺傳多樣性分析顯示,P. sitchensis表現出中等水平的群體分化,Seward區域與其他區域有明顯的分化。當K=2和K=3時,Shuyak Island 和Port Chatham顯示出混合的血統,表明把群島和大陸分開的海峽,目前沒有產生任何明顯的分化模式。等位基因豐度和期望雜合度估計顯示,擴張前沿的遺傳多樣性呈下降趨勢,但大陸居群Port Chatham的遺傳多樣性低于群島區域,表明群島居群與其他本區域以外的居群存在聯系,可能得益于外來花粉的基因交流。

PCA、STRUCTURE遺傳結構分析及遺傳多樣性分析
3)為了確定現在的區域居群結構模式是如何演變的,本研究分析了400年來Kodiak Archipelago和Seward的居群分化FST,結果顯示FST沒有顯著的變化,可能與樹木長壽命有關;此外,等位基因積累曲線表明,數據中存在的大多數等位基因都是在18世紀早期和中期獲得的,表明在定植的初期,繁殖個體的低密度有利于外來基因流進入,這對這一時期遺傳多樣性的恢復產生了積極的影響。P. sitchensis中風媒花粉更傾向于長距離的傳播,所以外源花粉流(而不是種子流)是導致等位基因多樣性增加的原因。
FST和等位基因數的時間變化
4)預期雜合度(He)和緯度及平均冠齡均沒有顯著的相關性,群體擴張前沿,遺傳多樣性并未減小;群島采樣點間的分化系數非常低(<0.1),與在Seward采樣點之間的分化系數相似,表明遺傳擴張并沒有導致景觀上的遺傳片段化。不同采樣點間差異度分析顯示,1710年采樣點之間的差異明顯高于隨后幾個世紀,表明居群定植后的基因流阻止了最初的遺傳片段化的繼續。由外來花粉流向本地花粉流的轉變,使擴張區域的前部遺傳結構發生了均質化。

采樣點間兩兩
FST值的熱圖及采樣點間差異系數的時間變化
參考文獻
1. Elleouet J S, Aitken S N. Long‐distance pollen dispersal during recent colonization favors a rapid but partial recovery of genetic diversity in Picea sitchensis. New Phytologist, 2019, 222(2): 1088-1100.
2. McCulloch G A, Foster B J, Dutoit L, et al. Ecological gradients drive insect wing loss and speciation: the role of the alpine treeline. Molecular ecology, 2019, 28(13): 3141-3150.
3. Pereira-Dias L, Vilanova S, Fita A, et al. Genetic diversity, population structure, and relationships in a collection of pepper (Capsicum spp.) landraces from the Spanish centre of diversity revealed by genotyping-by-sequencing (GBS). Horticulture research, 2019, 6(1): 1-13.
4. Schreiber M, Himmelbach A, Börner A, et al. Genetic diversity and relationship between domesticated rye and its wild relatives as revealed through genotyping‐by‐sequencing. Evolutionary applications, 2019, 12(1): 66-77.
5. Xu S, Yanagimoto T, Song N, et al. Population genomics reveals possible genetic evidence for parallel evolution of Sebastiscus marmoratus in the northwestern Pacific Ocean. Open biology, 2019, 9(9): 190028.