文|溫知優
編輯|溫知優
«——【·前言·】——»
與陸生植物相比，水生植物面臨着許多新的挑戰。它們占據的栖息地通常高度分散，孤立的水體被大片的“幹旱沙漠”包圍。這可能導緻基因流動減少、近親繁殖和潛在的局部滅絕。
這些物種的基因流水準和遺傳結構程度也可能受到它們采用的交配系統的影響。為了驗證這一假設，我們比較了不列颠群島的兩種淡水植物的系統地理學結構，主要是克隆被子植物和異孢子石松類植物。
我們從它們共同出現的湖泊中對兩種植物進行了采樣，并使用限制性位點相關的DNA測序來推斷它們之間的關系。湖泊之間的遺傳結構在被子植物中較高，我們将其與有性繁殖減少聯系起來，是以湖泊之間的基因流動水準較低。
此外，我們發現了單花湖中特定湖泊營養類型與譜系特異性關聯的證據，這可能是特定生态型的環境過濾的結果。
總的來說，我們得出的結論是，石松類動物的生殖系統不太專用于陸地條件，它在水生栖息地的二次定殖之後提供了一個優勢，它可以在種群之間進行頻繁的基因交換，并可能促進更快的适應。
«——【·蕨類植物·】——»
從水生環境到陸地環境的轉變在動植物中發生過多次。這通常伴随着一系列與生存和繁殖相關的挑戰。
在植物中，祖先的繁殖模式與水的存在有着内在的聯系，一旦植物變成陸生植物就需要提高生殖系統的專業化程度以适應幹燥條件幾個譜系随後過渡回水生環境，這可能會根據它們的繁殖政策不成比例地影響它們的傳播能力。
在苔藓、蕨類植物和石松植物等陸生植物的基部群中，雄性配子有鞭毛且不耐幹燥，有性繁殖通常需要潮濕的栖息地，即使在陸地環境中也是如此。
是以，這些群體的次要水生物種能夠在水下進行有性繁殖。
相比之下，沉水開花植物，被子植物，共享其陸生祖先的交配系統，并且通常僅使用花朵在水面上進行有性繁殖，盡管水下有性繁殖在一些類群中已經進化。
繁殖體的類型将進一步影響水生環境中的傳播。水生繁殖體可以有效地在水生環境中傳播，但抗幹燥繁殖體，如水果和種子的産生可能有助于它們在孤立的水生栖息地之間的“幹燥沙漠”中傳播。
種群之間的基因流動取決于它們的傳播能力和交配系統。這反過來會影響種群的遺傳結構，影響它們的适應潛力和對環境變化的恢複能力。
雖然種群大小及其空間分布也會影響種内遺傳結構，但在植物中，生殖系統可以說是最重要的因素。這具有重要的進化後果，特别是在高度分散的栖息地。
來自淡水環境（例如河流和湖泊）的植物尤其可能發生生境破碎化。這些環境在進化時間上是短暫的，不一定與其他合适的栖息地直接相關，導緻當地滅絕的高風險、有效種群規模小和近親繁殖衰退。
盡管有這些限制，植物在淡水環境中廣泛存在，并且與陸生植物相比确實具有非常大的物種範圍，這一悖論長期以來一直令生物學家着迷。解決這個悖論需要使用種群遺傳學方法估計有效的擴散率和基因流。
許多研究已經推斷出被子植物和更多基礎植物群的遺傳結構。然而，從未直接比較過在相同淡水環境中定居的被子植物和基礎維管植物的遺傳結構。
石松類和被子植物共同出現在北歐的湖泊中。盡管有4億年的獨立進化，這兩個物種表現出趨同的生态和表型特征。
這兩個物種都通過相對緩慢的生長速度、常綠的葉子、等生長形式、允許進入沉積物CO2的内部空隙和景天酸代謝獨立适應碳耗盡的水生環境。
雖然它們的分布、生态學和植物類型是趨同的，但這兩個物種保留了與其分類群相對應的不同生殖系統。被子植物在淹沒時通過産生短的匍匐莖進行無性繁殖，雖然漂浮的整株植物的浮力和壽命也可能允許在湖泊内短距離無性傳播。
相反，石松類植物的繁殖是通過小孢子和大孢子的融合發生的。因為孢子分散在水中，雖然異型雜交與自交的比率未知，但沉水植物之間的遺傳交換是可能的。
關于異孢子類石松屬植物的湖間擴散機制知之甚少，水禽和風介導的傳播是最突出的建議。該物種的長距離傳播可能仍然具有挑戰性，因為兩個密切相關的物種石松類植物和被子植物的幹燥孢子導緻無法發芽。
在這項研究中，我們對比了英國和石松類植物的種内結構。直到大約12000年前，冰蓋覆寫了北歐的大部分地區，包括英國，這些地理區域随後從避難所重新定居。
是以，英國的石松類植物和種群在生态學和人口統計曆史上高度相似，是以代表了一個很好的系統，可以在其中了解它們對比的生殖系統對種群遺傳結構的影響，及其對這些物種的适應性進化。
«——【·植物材料 和測序·】——»
石松類和被子植物于2016年8月至9月從蘇格蘭大陸以及外赫布裡底群島和内赫布裡底群島采集，幹燥并儲存在矽膠中。此外，2016年從威爾士斯諾登尼亞收集了石松類植物和的單個樣本。
按照制造商的方案，使用迪斯尼植物迷你提取試劑盒從二氧化矽幹燥的葉子材料中提取DNA，但洗脫步驟除外，該步驟使用50µlAE緩沖液進行一次。
簡而言之，DNA（大約200–700ng）用Eco RI和Mse I進行雙重消化。條形碼接頭連接配接到Eco RI側，普通接頭連接配接到Mse I側。連接配接後，使用标準Illumina測序引物對文庫進行PCR擴增。
根據文庫濃度的相對估計，彙集了來自相同和不同項目的總共96個樣本。通過凝膠提取選擇文庫池的大小，目标大小為300–600bp，并使用凝膠提取試劑盒進行純化。
按照标準協定，在愛丁堡基因組中心的單個HiSeq2500通道上進行了雙端測序(2x125bp)。
«——【·葉綠體基因組的組裝和分析·】——»
清潔和修剪的讀數被映射到先前組裝的從威爾士收集的石松類植物和的塑膠體，使用bowtie2v.2.2.3具有配對末端讀取的預設設定。
使用内部開發的shell腳本提取每個質體基因組位置的堿基調用和最大似然系統發育在RAxMLv.8.2.11在GTR+G替代模型下。節點支援使用100個引導複制進行評估。
«——【·核多态性的堅定和分析·】——»
使用程式ipyradv.0.7.2，具有聚類群組裝的預設參數。為避免在最終組裝中摻入質體和線粒體位點，僅處理覆寫率低于100倍的簇。
每個單核苷酸多态性的最大等位基因數設定為兩個，并且隻有至少40%的樣本中存在的基因座被納入最終組裝。每個屬的所有樣本都用于兩個單獨的聚類。
使用vcftoolsv.0.1.15從每個組裝的RAD基因座中提取缺失資料少于60%的随機單核苷酸多态性。生成的未連結SNP資料集用于系統發育和遺傳結構分析。
«——【·被子植物的遺傳結構·】——»
平均83%的葉綠體基因組被過濾讀數覆寫。推斷的質體系統發育總體上結決不佳，支援值低。
有趣的是，一些地理上相距較遠的種群被分組在一起，而地理上相近的種群被放在不同的地區樹。
總體而言，觀察到高度多樣性，包括來自威爾士斯諾登尼亞的單個湖泊，每個樣本的清潔讀數從800,000到240萬不等，可能反映了輸入DNA和文庫的品質和數量的變化。
為組裝了總共128,359個RAD位點。過濾後，保留其中具有1.7%多态性位點的14,669個用于分析。純合性水準适中。
中的前兩個主成分(PC)分别解釋了資料中16.7%和12.4%的變異。第一台PC将兩個樣本（30和19）與所有其他樣本分開，反映了葉綠體系統發育，其中這兩個樣本形成了一個單獨的譜系。
其餘樣本在第二台PC上形成三組，其中一組對應于威爾士樣本（A、B和C），而另外兩組代表獨立于地理的不同類型的湖泊。這種模式在最大似然核系統發育中得到了廣泛概括。
在剩餘的樣本中，強烈支援中營養和寡營養組的單系。然而，在葉綠體和核系統發育之間觀察到一些重要的不一緻，例如葉綠體系統發育中缺乏按湖泊類型聚集。
成對的F ST值顯示基于地理起源的适度差異，來自不同地區的人口之間的值範圍為0.14到0.22。然而，系統發育群體中的成對F ST主要證明了我們觀察到的遺傳結構。
«——【·石松類植物内的遺傳結構·】——»
平均51%的石松類植物質體被測序讀數覆寫。從質體系推斷的系統發育揭示了韭屬中的兩個不同的組，bootstrap支援度為100。
之前發表的石松類植物和被子植物序列的比較确定了該trnL基因中的診斷性SNP ，這表明較小進化枝的成員是被子植物而較大進化枝的成員是石松類植物。石松類植物組内的Bootstrap支援普遍較低。
總共為韭屬組裝了134,378個RAD位點，其中16,451個在過濾後保留。這些基因座包含4.4%的多态性位點。
僅使用石松類植物樣本進行第二次組裝，共産生99,672個RAD位點，其中19,855個在過濾後保留，3.5%顯示多态性。平均而言，石松類植物的樣本具有比更低的純合性水準。
對所有韭屬樣品進行的主成分分析清楚地将葉綠體系統發育中鑒定的兩個韭屬物種分開。
類似地，韭屬的核系統發育清楚地将這兩個物種分成兩個高度支援的單系進化枝。在石松類植物中，聚類的證據不如中的明顯，樣本廣泛分布在第一個PC上，地理區域或湖泊類型之間幾乎沒有聚類。
第二台PC解釋了14.0%的變異，并将來自北尤伊斯特富營養化湖泊的一個樣本(48)與其餘樣本大緻分開。石松類植物核系統發育中的分支支援值很低，并且沒有明顯的地理或湖泊類型聚類。
石松類植物中地理區域之間的F ST值通常低于L. uniflora（0.09-0.11對0.14-0.22），威爾士、蘇格蘭大陸和外赫布裡底群島樣本之間的差異水準相似（0.09-0.11）， 貧營養和中營養樣品顯示有限的遺傳分化（F ST =0.10)。
«——【·不列颠群島的知名化浪潮·】——»
随着冰蓋在後冰期英國退縮，和石松類植物都是暴露的水生栖息地的早期殖民者。然而，這種模式似乎并沒有涉及來自有限數量來源的單一殖民浪潮。
對于這兩個物種，我們在地理上鄰近的湖泊中發現了不同的遺傳譜系。不同基因組的同居與多重、獨立的殖民化是一緻的。
在赫布裡底群島的一些湖泊中發現的不同的被子植物個體群或來自獨特冰川避難所的冰川後殖民化。
如果不在不列颠群島以外進行額外采樣，則無法區分這兩種情況，但不同基因組的共存表明淡水植物種群沒有同質化。
此外，這一觀點得到了整體高葉綠體多樣性的支援，加上用成對F ST估計的距離缺乏明确的隔離。
«——【·筆者觀點·】——»
在這項研究中，我們比較了不列颠群島内兩種屬于高度分化類群的淡水植物的遺傳結構，石松類植物和被子植物。我們的調查顯示的種群結構水準較高。我們認為這源于石松類石松類植物水下有性繁殖機會的增加，而依賴于水上結構。
我們還表明，單花車前屬的某些譜系似乎僅限于具有特定營養狀況的湖泊。我們認為這種模式是由于一些種群早期适應新的栖息地，随後進行了強烈的生态過濾。
在石松類植物中沒有觀察到這種模式，這可以通過該物種中頻繁的遺傳交換來解釋，進而允許适應性等位基因在譜系之間更快速地傳播。
«——【·參考文獻·】——»
1.阿什沃思《植物對栖息地破碎化的生殖敏感性：通過荟萃分析進行回顧和綜合》，生态快報，2006年。
2.班克斯《卷柏和4億年的分離》，植物生物學年鑒，2009年。
3.巴雷特《水生植物種群的進化過程》，水生植物學，1993年。
4.巴雷特《交配的生态學及其在種子植物中的進化後果》，生态學、進化和系統學年度回顧，2017年。
5.伯克斯《在晚冰期和全新世早期，挪威西部Kråkenes湖的大型水生植物植被發育》，古湖泊學雜志，2000年。