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昆明植物园科研团队解析朱红大杜鹃“小种群”的形成与维持机制
时间:2021-07-21  来源:昆明植物园  作者:  点击:

  朱红大杜鹃(Rhododendron griersonianum Balf. f. et Forrest)属于杜鹃花属、朱红大杜鹃亚组的唯一物种。1924年由Forrest发表之后就销声匿迹了数十年。在2011年出版的《The Red List of Rhododendrons》、2013年发布的《中国生物多样性红色名录——高等植物卷》以及2017年发布的《中国高等植物受威胁物种名录》中,朱红大杜鹃均被评为极度濒危(CR)。朱红大杜鹃花大、色彩艳丽、花期长、观赏价值高、性状优良,是花卉产业育种的重要种质资源。朱红大杜鹃目前野外仅知残存2个居群,不足500株,属于典型的极小种群野生植物,亟需开展其濒危机制和抢救性保护方面的工作。 

  为抢救性保护该物种,中国科学院昆明植物研究所极小种群野生植物综合保护团队马永鹏研究组联合中国林业科学院资源昆虫研究所马宏课题组、中国环境科学研究院刘勇波研究组和云南省农业科学院花卉研究所王继华研究团队,对朱红大杜鹃以及近缘广布物种马缨杜鹃进行了一系列保护基因组学比较分析。该研究首次获得朱红大杜鹃染色体水平的高质量全基因组,基因组大小677 Mb,contig N50为34 Mb,scaffold N50 为53 Mb,组装质量大大超过了当前杜鹃花属所有完成测序的物种,并注释了38,280个蛋白编码基因。通过与其他物种进行系统发育研究表明,杜鹃花目与山茱萸目在大约于100 Ma前发生分化。 

  为进一步解析朱红大杜鹃的濒危原因,研究人员对朱红大杜鹃进行了重测序,群体历史分析结果表明,历史上经历3次严重遗传瓶颈,与冰期-间冰期作用、“共和运动”等地质历史事件一致。最后一次遗传瓶颈之后,朱红大杜鹃的有效种群大小逐渐恢复。但种群调查大小仅数百株,这可能与人类活动如水库建设、采挖和修路等有关。同时,我们对同属广布种马缨杜鹃进行了重测序,并与朱红大杜鹃进行了比较分析,结果表明,朱红大杜鹃显著积累了更多数量的纯合有害突变;朱红大杜鹃的长片段纯合(Runs of homozygosity,ROH)程度显著高于马缨杜鹃,表明朱红大杜鹃近交严重。此外,与马缨杜鹃等其他16个具有染色体水平全基因组信息的木本植物相比,朱红大杜鹃的遗传多样性非常低。 

  总之,人类活动导致的生境丧失、遗传多样性极低、地质历史事件导致的遗传瓶颈、近交和与热适应相关基因的有害突变,是朱红大杜鹃“极小种群”形成和维持的主要原因。最后,本文对朱红大杜鹃抢救性保护行动提出了建议。相关结果以“Chromosome-level genome assembly and population genetic analysis of a critically endangered rhododendron provide insights into its conservation”为题发表在植物学三大国际主流期刊、中科院1区期刊The Plant Journal上。期刊编辑给予文章较高评价:“This is an outstanding manuscript and the more detailed and appropriate experimental design makes this a very valuable and scientifically sound study”。 

  该研究得到生态环境部生物多样性调查与评估、第二次青藏高原综合科学考察研究——青藏高原旗舰、极度濒危和球根宿根类植物的调查评估与综合保护(杜鹃专题)、国家自然科学基金、云南省中青年学术与技术带头人等项目的资助。 

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图1 朱红大杜鹃的生境、分布与形态特征。(a)猴桥居群,生于公路旁河边;(b)界头居群,生于农田旁河边;(c)朱红大杜鹃漏斗状朱红色的花冠;(d)已知2个居群在我国腾冲市的分布。 

图2 朱红大杜鹃遗传多样性和有效种群大小变化。(a)17个木本植物的遗传多样性比较;(b)基于Stairway plot的朱红大杜鹃有效种群大小变化;(c)基于fastsimcoal2的朱红大杜鹃有效种群大小变化,T代表时间,深蓝色图形的大小及上面的数字代表有效种群大小。 

图3. 遗传负荷和近交。桔红色柱子代表朱红大杜鹃,蓝绿色柱子代表马缨杜鹃。(a)有害突变数量比较。(b)杂合和纯合有害突变数量比较。(c)长纯合片段比较。

 

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