.jpg){kind=logo}
自達(dá)爾文提出進(jìn)化論以來(lái)，宏進(jìn)化和微進(jìn)化研究之間一直存在鴻溝。近年來(lái)隨著組學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)、生態(tài)與進(jìn)化基因組學(xué)方面的研究嶄露頭角。針對(duì)特定類(lèi)群的多個(gè)代表性物種開(kāi)展大規(guī)模基因組測(cè)序，結(jié)合計(jì)算生物學(xué)、生物地理學(xué)等多學(xué)科理論和方法，在組學(xué)層面系統(tǒng)地揭示生命演化及生物多樣性形成的遺傳機(jī)制，使打破宏進(jìn)化和微進(jìn)化之間的壁壘成為可能。
近日，中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院施蘇華/何子文課題組在國(guó)際生態(tài)與進(jìn)化研究領(lǐng)域頂級(jí)刊物Nature Ecology & Evolution上發(fā)表了題為“Evolution of coastal forests based on a full set of mangrove genomes”的研究論文。該研究利用大規(guī)模基因組數(shù)據(jù)，探究紅樹(shù)植物的起源、進(jìn)化及其對(duì)全球變化的響應(yīng)。
作為生長(zhǎng)在熱帶亞熱帶海岸潮間帶的木本植物類(lèi)群，70余種紅樹(shù)植物分布在被子植物生命樹(shù)的不同支系，但在生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)同一功能地位，屬于同資源種團(tuán)（ecological guild）。經(jīng)過(guò)千百萬(wàn)年進(jìn)化，紅樹(shù)植物逐步適應(yīng)高鹽、潮汐、高溫、缺氧等一系列極端環(huán)境，在防風(fēng)固沙、侵蝕防治等方面發(fā)揮了重要的生態(tài)功能，被譽(yù)為海岸衛(wèi)士。由于其特殊的生長(zhǎng)環(huán)境和地理分布，紅樹(shù)植物容易受到全球氣候變化，尤其是海平面變化的影響。因此，它們是開(kāi)展生態(tài)與進(jìn)化研究的理想對(duì)象。
課題組通過(guò)最新的第三代測(cè)序技術(shù)從頭測(cè)序組裝了四十余種紅樹(shù)及近緣陸生植物的高質(zhì)量基因組，結(jié)合已發(fā)表的其他序列，重建了涵蓋所有現(xiàn)存紅樹(shù)物種的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。系統(tǒng)發(fā)育基因組的分析結(jié)果表明紅樹(shù)的起源時(shí)間并不局限于以往認(rèn)識(shí)的少數(shù)幾個(gè)時(shí)間窗口，而是在數(shù)千萬(wàn)年里陸續(xù)發(fā)生了27次獨(dú)立起源事件。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)紅樹(shù)與其它陸生植物相比，其物種增長(zhǎng)速率要小得多。這暗示了紅樹(shù)物種在潮間帶極端環(huán)境中的脆弱性，在歷史上可能經(jīng)歷過(guò)多次物種滅絕事件。目前發(fā)現(xiàn)的幾個(gè)紅樹(shù)滅絕種的化石支持這一假說(shuō)。
圖 紅樹(shù)植物的27次獨(dú)立起源事件
為了進(jìn)一步驗(yàn)證紅樹(shù)植物在全球氣候變化下是否足夠強(qiáng)健，研究人員對(duì)現(xiàn)存紅樹(shù)物種的歷史群體大小動(dòng)態(tài)變化分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)紅樹(shù)物種在海平面快速變化時(shí)期發(fā)生了種群規(guī)模急劇減少和破碎分化。這說(shuō)明雖然紅樹(shù)植物具有一定程度的潮間帶環(huán)境適應(yīng)性，但在面對(duì)氣候快速變化過(guò)程中仍具有相當(dāng)?shù)拇嗳跣裕瑢?dǎo)致部分紅樹(shù)物種在歷史上發(fā)生滅絕。在如今全球氣候變暖、海平面上升和人類(lèi)活動(dòng)日益增加的多重沖擊下，紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)正面臨著更嚴(yán)重的威脅，熱帶海岸生態(tài)系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的生物多樣性減少。
這項(xiàng)研究通過(guò)大規(guī)模系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)數(shù)據(jù)分析，厘清了紅樹(shù)植物的27次獨(dú)立起源，解析了紅樹(shù)適應(yīng)性進(jìn)化過(guò)程以及其對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)，解釋了“占據(jù)全球熱帶海岸的紅樹(shù)植物物種數(shù)量為什么這么少？”這一謎團(tuán)，為應(yīng)對(duì)全球氣候變化、保護(hù)海岸帶生態(tài)系統(tǒng)提供理論依據(jù)。該研究是首次以一個(gè)同資源種團(tuán)為研究對(duì)象開(kāi)展的大規(guī)模基因組學(xué)研究，為生態(tài)與進(jìn)化基因組學(xué)開(kāi)辟了新的研究范式。
該成果是中山大學(xué)施蘇華/何子文課題組繼2018年發(fā)現(xiàn)紅樹(shù)植株死亡率與其遺傳多樣性呈顯著負(fù)相關(guān)，2019年提出可解釋生物多樣性熱點(diǎn)形成機(jī)制的全新物種形成模型，2020年發(fā)現(xiàn)紅樹(shù)植物趨同進(jìn)化的基因組機(jī)制之后，在紅樹(shù)植物生態(tài)與進(jìn)化研究領(lǐng)域的又一重要研究成果。中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院施蘇華教授為本篇文章通訊作者，何子文副教授為文章第一作者，博士研究生馮梟、陳綺翩以及青島華大基因研究院李良偉為文章共同第一作者。中山大學(xué)為該成果的第一和通訊單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海）創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目等基金資助。