文|温知优
编辑|温知优
«——【·前言·】——»
与陆生植物相比，水生植物面临着许多新的挑战。它们占据的栖息地通常高度分散，孤立的水体被大片的“干旱沙漠”包围。这可能导致基因流动减少、近亲繁殖和潜在的局部灭绝。
这些物种的基因流水平和遗传结构程度也可能受到它们采用的交配系统的影响。为了验证这一假设，我们比较了不列颠群岛的两种淡水植物的系统地理学结构，主要是克隆被子植物和异孢子石松类植物。
我们从它们共同出现的湖泊中对两种植物进行了采样，并使用限制性位点相关的DNA测序来推断它们之间的关系。湖泊之间的遗传结构在被子植物中较高，我们将其与有性繁殖减少联系起来，因此湖泊之间的基因流动水平较低。
此外，我们发现了单花湖中特定湖泊营养类型与谱系特异性关联的证据，这可能是特定生态型的环境过滤的结果。
总的来说，我们得出的结论是，石松类动物的生殖系统不太专用于陆地条件，它在水生栖息地的二次定殖之后提供了一个优势，它可以在种群之间进行频繁的基因交换，并可能促进更快的适应。
«——【·蕨类植物·】——»
从水生环境到陆地环境的转变在动植物中发生过多次。这通常伴随着一系列与生存和繁殖相关的挑战。
在植物中，祖先的繁殖模式与水的存在有着内在的联系，一旦植物变成陆生植物就需要提高生殖系统的专业化程度以适应干燥条件几个谱系随后过渡回水生环境，这可能会根据它们的繁殖策略不成比例地影响它们的传播能力。
在苔藓、蕨类植物和石松植物等陆生植物的基部群中，雄性配子有鞭毛且不耐干燥，有性繁殖通常需要潮湿的栖息地，即使在陆地环境中也是如此。
因此，这些群体的次要水生物种能够在水下进行有性繁殖。
相比之下，沉水开花植物，被子植物，共享其陆生祖先的交配系统，并且通常仅使用花朵在水面上进行有性繁殖，尽管水下有性繁殖在一些类群中已经进化。
繁殖体的类型将进一步影响水生环境中的传播。水生繁殖体可以有效地在水生环境中传播，但抗干燥繁殖体，如水果和种子的产生可能有助于它们在孤立的水生栖息地之间的“干燥沙漠”中传播。
种群之间的基因流动取决于它们的传播能力和交配系统。这反过来会影响种群的遗传结构，影响它们的适应潜力和对环境变化的恢复能力。
虽然种群大小及其空间分布也会影响种内遗传结构，但在植物中，生殖系统可以说是最重要的因素。这具有重要的进化后果，特别是在高度分散的栖息地。
来自淡水环境（例如河流和湖泊）的植物尤其可能发生生境破碎化。这些环境在进化时间上是短暂的，不一定与其他合适的栖息地直接相关，导致当地灭绝的高风险、有效种群规模小和近亲繁殖衰退。
尽管有这些限制，植物在淡水环境中广泛存在，并且与陆生植物相比确实具有非常大的物种范围，这一悖论长期以来一直令生物学家着迷。解决这个悖论需要使用种群遗传学方法估计有效的扩散率和基因流。
许多研究已经推断出被子植物和更多基础植物群的遗传结构。然而，从未直接比较过在相同淡水环境中定居的被子植物和基础维管植物的遗传结构。
石松类和被子植物共同出现在北欧的湖泊中。尽管有4亿年的独立进化，这两个物种表现出趋同的生态和表型特征。
这两个物种都通过相对缓慢的生长速度、常绿的叶子、等生长形式、允许进入沉积物CO2的内部空隙和景天酸代谢独立适应碳耗尽的水生环境。
虽然它们的分布、生态学和植物类型是趋同的，但这两个物种保留了与其分类群相对应的不同生殖系统。被子植物在淹没时通过产生短的匍匐茎进行无性繁殖，虽然漂浮的整株植物的浮力和寿命也可能允许在湖泊内短距离无性传播。
相反，石松类植物的繁殖是通过小孢子和大孢子的融合发生的。因为孢子分散在水中，虽然异型杂交与自交的比率未知，但沉水植物之间的遗传交换是可能的。
关于异孢子类石松属植物的湖间扩散机制知之甚少，水禽和风介导的传播是最突出的建议。该物种的长距离传播可能仍然具有挑战性，因为两个密切相关的物种石松类植物和被子植物的干燥孢子导致无法发芽。
在这项研究中，我们对比了英国和石松类植物的种内结构。直到大约12000年前，冰盖覆盖了北欧的大部分地区，包括英国，这些地理区域随后从避难所重新定居。
因此，英国的石松类植物和种群在生态学和人口统计历史上高度相似，因此代表了一个很好的系统，可以在其中了解它们对比的生殖系统对种群遗传结构的影响，及其对这些物种的适应性进化。
«——【·植物材料 和测序·】——»
石松类和被子植物于2016年8月至9月从苏格兰大陆以及外赫布里底群岛和内赫布里底群岛采集，干燥并储存在硅胶中。此外，2016年从威尔士斯诺登尼亚收集了石松类植物和的单个样本。
按照制造商的方案，使用迪斯尼植物迷你提取试剂盒从二氧化硅干燥的叶子材料中提取DNA，但洗脱步骤除外，该步骤使用50µlAE缓冲液进行一次。
简而言之，DNA（大约200–700ng）用Eco RI和Mse I进行双重消化。条形码接头连接到Eco RI侧，普通接头连接到Mse I侧。连接后，使用标准Illumina测序引物对文库进行PCR扩增。
根据文库浓度的相对估计，汇集了来自相同和不同项目的总共96个样本。通过凝胶提取选择文库池的大小，目标大小为300–600bp，并使用凝胶提取试剂盒进行纯化。
按照标准协议，在爱丁堡基因组中心的单个HiSeq2500通道上进行了双端测序(2x125bp)。
«——【·叶绿体基因组的组装和分析·】——»
清洁和修剪的读数被映射到先前组装的从威尔士收集的石松类植物和的塑料体，使用bowtie2v.2.2.3具有配对末端读取的默认设置。
使用内部开发的shell脚本提取每个质体基因组位置的碱基调用和最大似然系统发育在RAxMLv.8.2.11在GTR+G替代模型下。节点支持使用100个引导复制进行评估。
«——【·核多态性的坚定和分析·】——»
使用程序ipyradv.0.7.2，具有聚类和组装的默认参数。为避免在最终组装中掺入质体和线粒体位点，仅处理覆盖率低于100倍的簇。
每个单核苷酸多态性的最大等位基因数设置为两个，并且只有至少40%的样本中存在的基因座被纳入最终组装。每个属的所有样本都用于两个单独的聚类。
使用vcftoolsv.0.1.15从每个组装的RAD基因座中提取缺失数据少于60%的随机单核苷酸多态性。生成的未链接SNP数据集用于系统发育和遗传结构分析。
«——【·被子植物的遗传结构·】——»
平均83%的叶绿体基因组被过滤读数覆盖。推断的质体系统发育总体上结决不佳，支持值低。
有趣的是，一些地理上相距较远的种群被分组在一起，而地理上相近的种群被放在不同的地区树。
总体而言，观察到高度多样性，包括来自威尔士斯诺登尼亚的单个湖泊，每个样本的清洁读数从800,000到240万不等，可能反映了输入DNA和文库的质量和数量的变化。
为组装了总共128,359个RAD位点。过滤后，保留其中具有1.7%多态性位点的14,669个用于分析。纯合性水平适中。
中的前两个主成分(PC)分别解释了数据中16.7%和12.4%的变异。第一台PC将两个样本（30和19）与所有其他样本分开，反映了叶绿体系统发育，其中这两个样本形成了一个单独的谱系。
其余样本在第二台PC上形成三组，其中一组对应于威尔士样本（A、B和C），而另外两组代表独立于地理的不同类型的湖泊。这种模式在最大似然核系统发育中得到了广泛概括。
在剩余的样本中，强烈支持中营养和寡营养组的单系。然而，在叶绿体和核系统发育之间观察到一些重要的不一致，例如叶绿体系统发育中缺乏按湖泊类型聚集。
成对的F ST值显示基于地理起源的适度差异，来自不同地区的人口之间的值范围为0.14到0.22。然而，系统发育群体中的成对F ST主要证实了我们观察到的遗传结构。
«——【·石松类植物内的遗传结构·】——»
平均51%的石松类植物质体被测序读数覆盖。从质体系推断的系统发育揭示了韭属中的两个不同的组，bootstrap支持度为100。
之前发表的石松类植物和被子植物序列的比较确定了该trnL基因中的诊断性SNP ，这表明较小进化枝的成员是被子植物而较大进化枝的成员是石松类植物。石松类植物组内的Bootstrap支持普遍较低。
总共为韭属组装了134,378个RAD位点，其中16,451个在过滤后保留。这些基因座包含4.4%的多态性位点。
仅使用石松类植物样本进行第二次组装，共产生99,672个RAD位点，其中19,855个在过滤后保留，3.5%显示多态性。平均而言，石松类植物的样本具有比更低的纯合性水平。
对所有韭属样品进行的主成分分析清楚地将叶绿体系统发育中鉴定的两个韭属物种分开。
类似地，韭属的核系统发育清楚地将这两个物种分成两个高度支持的单系进化枝。在石松类植物中，聚类的证据不如中的明显，样本广泛分布在第一个PC上，地理区域或湖泊类型之间几乎没有聚类。
第二台PC解释了14.0%的变异，并将来自北尤伊斯特富营养化湖泊的一个样本(48)与其余样本大致分开。石松类植物核系统发育中的分支支持值很低，并且没有明显的地理或湖泊类型聚类。
石松类植物中地理区域之间的F ST值通常低于L. uniflora（0.09-0.11对0.14-0.22），威尔士、苏格兰大陆和外赫布里底群岛样本之间的差异水平相似（0.09-0.11）， 贫营养和中营养样品显示有限的遗传分化（F ST =0.10)。
«——【·不列颠群岛的知名化浪潮·】——»
随着冰盖在后冰期英国退缩，和石松类植物都是暴露的水生栖息地的早期殖民者。然而，这种模式似乎并没有涉及来自有限数量来源的单一殖民浪潮。
对于这两个物种，我们在地理上邻近的湖泊中发现了不同的遗传谱系。不同基因组的同居与多重、独立的殖民化是一致的。
在赫布里底群岛的一些湖泊中发现的不同的被子植物个体群或来自独特冰川避难所的冰川后殖民化。
如果不在不列颠群岛以外进行额外采样，则无法区分这两种情况，但不同基因组的共存表明淡水植物种群没有同质化。
此外，这一观点得到了整体高叶绿体多样性的支持，加上用成对F ST估计的距离缺乏明确的隔离。
«——【·笔者观点·】——»
在这项研究中，我们比较了不列颠群岛内两种属于高度分化类群的淡水植物的遗传结构，石松类植物和被子植物。我们的调查显示的种群结构水平较高。我们认为这源于石松类石松类植物水下有性繁殖机会的增加，而依赖于水上结构。
我们还表明，单花车前属的某些谱系似乎仅限于具有特定营养状况的湖泊。我们认为这种模式是由于一些种群早期适应新的栖息地，随后进行了强烈的生态过滤。
在石松类植物中没有观察到这种模式，这可以通过该物种中频繁的遗传交换来解释，从而允许适应性等位基因在谱系之间更快速地传播。
«——【·参考文献·】——»
1.阿什沃思《植物对栖息地破碎化的生殖敏感性：通过荟萃分析进行回顾和综合》，生态快报，2006年。
2.班克斯《卷柏和4亿年的分离》，植物生物学年鉴，2009年。
3.巴雷特《水生植物种群的进化过程》，水生植物学，1993年。
4.巴雷特《交配的生态学及其在种子植物中的进化后果》，生态学、进化和系统学年度回顾，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发育》，古湖泊学杂志，2000年。