基因组学揭示东亚关键森林树木的气候适应性与未来风险

创作时间:

作者:

@小白创作中心

基因组学揭示东亚关键森林树木的气候适应性与未来风险

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/2301_78630677/article/details/140570748

气候变化是生物多样性的主要威胁，尤其是对长生命周期的物种，如森林树木。随着基因组学技术的进步，科学家们能够更有效地研究物种的地方适应性和进化潜能。本文对一篇关于东亚关键森林树木（香杨 Populus koreana）的基因组研究进行了精读，详细介绍了研究的背景、目的、方法和结果，涵盖了基因组组装、群体结构分析、环境适应性变异识别、以及对未来气候变化的预测等多个方面。

研究背景和意义

气候变化预计将成为生物多样性的主要威胁，气候导致了动植物物种的局部灭绝。为了应对环境威胁，物种需要迁移到适宜的地理位置或通过表型可塑性、遗传变异或新突变进行适应。然而，对于许多物种而言，尤其是长生命周期的物种，如森林树木，快速的气候变化使得迁移适应变得困难。

基因组数据可以作为一种补充策略，以检查一个目标物种分布范围内的局部适应。尽管在任何特定物种的基因组中可能有数百万个变异，但这些变异中只有一些与气候适应有关。识别与气候相关的遗传变异的过程不仅对解决当地适应的精细尺度模式至关重要，而且有助于对物种如何应对气候变化的更好的理解。

研究方法和技术路线

研究团队对东亚温带森林中Populus koreana（香杨）的24个种群的230个个体进行了染色体规模的基因组组装和重测序。结合群体基因组学和环境数据，识别出与气候适应相关的遗传变异。

基因组组装与重测序

最终组装捕获了401.4 Mb的基因组序列，其中N50为6.41 Mb，99.6%（~399.94Mb）固定在19条伪染色体上。研究者对东北中国香杨P. koreana的230个个体进行了全基因组重测序，发现了大量的遗传变异。通过分析，他们发现种群结构大致分为三个集群，南部和北部群体间存在轻度遗传分化，可能在末次冰盛期后不久开始分化。此外，南部群体显示出轻微的种群扩张，而北部群体则经历着种群下降，这反映了不同地区的不同种群历史。

群体结构、遗传多样性和群体历史分析

研究者对东北中国香杨P. koreana的230个个体进行了全基因组重测序，发现了大量的遗传变异。通过分析，他们发现种群结构大致分为三个集群，南部和北部群体间存在轻度遗传分化，可能在末次冰盛期后不久开始分化。此外，南部群体显示出轻微的种群扩张，而北部群体则经历着种群下降，这反映了不同地区的不同种群历史。

识别与当地气候适应相关的基因组变异

研究团队采用LFMM和RDA两种互补方法，检测19个环境变量与遗传变异的关联，识别出数千个与环境显著相关的变异，涉及数百个基因。这些变异广泛分布在基因组中，未集中在特定区域，且更多与降水相关变量而非温度相关变量关联。大部分适应性变异是非编码区域的，特别是在基因的5’ UTR和转座元件中，提示调控元件在环境适应中起关键作用。

具有局部适应性的基因变异的地理分布

研究确认了一系列之前报道过的与气候适应相关的基因存在变异，这些变异与特定环境变量紧密关联，尽管未检测到显著的功能富集。特别地，CRL1基因的变异与最湿润月的降水量显著相关，其T等位基因在降水丰富的东南部地区占主导，而C等位基因则在降水量较低的地区固定。进一步的功能分析表明，携带T等位基因的个体可能对水淹有更高的耐受性。

针对未来气候变化的基因组补偿预测

研究团队利用已建立的当代基因型-环境关系和识别出的气候相关遗传位点，预测P. koreana种群将如何响应未来气候变化。集成了四种未来气候模型的基因组偏移预测，考虑了模型间变异性，并采用了CMIP6联盟采用的共享社会经济路径（SSP126和SSP370）的两种排放情景进行两个定义时期的预测（2061-2080年和2081-2100年）。

非适应风险评估显示，RONA值随更严峻的气候变化情景增加，高排放导致整体RONA值上升（SSP370 vs. SSP126）。环境变量和种群间存在显著的RONA估计值变化，面临更剧烈环境变化地区的种群预计有更高的RONA值。