2018-03-07
宏進化是指物種間的進化，也就是針對不同目/科/屬/種的樣本基于同源基因進行分析。微進化，即發生在物種內的遺傳變化，也就是群體（品種/亞種）在世代過程中等位基因頻率的變化，微進化分析主要是基于群體SNP進行分析。針對垂枝樺（Betula pendula）的基因組測序和群體遺傳分析從宏進化和微進化的角度分別揭示了適應性進化的機制，對于群體進化研究有很好的參考價值。
垂枝樺為樺木科樺木屬喬木，枝條常下垂，分布于新疆北部及歐洲，生河灘、山谷或山腳濕潤地帶，是歐亞大陸北方森林的先鋒物種。
圖 1 垂枝樺形態及生境
本研究測序組裝了一株4代近交系垂枝樺的參考基因組，產生了435M的高質量組裝結果并利用高密度圖譜定位到染色體。分析了垂枝樺不同地理分布群體及近緣種的群體SNP，揭示了樺樹家族的進化歷史及近期自然選擇。
一、宏進化
基因重復是真核生物基因組中新功能產生的一個主要來源，植物中多倍性和串聯重復與表型進化相關。葡萄的基因組被認為最好地保留了雙子葉植物祖先的染色體遺跡，垂枝樺與葡萄基因組的共線性分析表明，垂枝樺在物種分化形成后沒有經歷全基因組倍增事件。因此，在垂枝樺基因組中，唯一的內部重復模塊來自雙子葉植物的γ古六倍體事件（WGD-γ，122~164MYA）。
圖 2 共線性分析
（圖中，藍色：直系同源基因共線性，表示分化時間；綠色：旁系同源基因共線性，表示共同祖先的古六倍體事件）
自體共線性分析表明，來自WGD-γ的多倍體副本中轉錄因子強烈過表達，說明完整功能模塊的重復后，對于高度相互關聯的基因存在著偏向性保留。針對串聯重復基因在垂枝樺、擬南芥和楊樹中進行了比較分析，結果表明三個物種共有的串聯擴增基因家族在次級代謝、細菌防御、激素反應、激素和營養運輸等方面更為豐富，在垂枝樺和楊樹共有的串聯擴增序列中包括與木本植物生物特性相關的適應性相關的基因：真菌病原體防御、細胞壁生物發生、纖維素合酶活性等。
圖 3 自體共線性分析
圖 4 基因家族分析
多倍體重復會增加發育和生理調節等核心進程的多樣性，串聯重復增加了植物的環境響應能力的多樣性。
二、微進化
使用GATK在總計89個個體中call SNP。主成分分析證明大多數垂枝樺個體沿PCA2形成一個線性漸變群，所有非典型個體顯示高雜合度，表明新發的多倍化或雜交事件的可能性。等位基因共享（allele-sharing）分析表明，主要的垂枝樺群體存在種間雜交，表明有持續進行的雙向的基因流存在。
1. 群體結構分析
使用ADMIXTURE進行分析，顯示具有2個祖先群體的很弱的群體結構，簡單分為東西兩個群體，且在芬蘭的群體存在一定程度的基因交流。這可能反映了最后一次冰川期時不同地域的分化，之后隨著冰川撤退兩個群體重新聚合，祖先群數量少可能由于樺樹種群間高度的雜交，因為樺樹作為風媒傳粉物種，花粉可以傳播超過1000km。
圖 5 群體結構分析
2. 群體歷史顯示古老瓶頸效應
使用ANGSD估計除觀賞種外的60個垂枝樺基因組的位點頻譜，并生成階梯圖（stairway plot）來說明有效群體大小隨時間的變化。最早的有效群體大小下降與白堊紀—古近紀（K-Pg）界線的大滅絕事件（即6500萬年前恐龍滅絕事件）一致，隨后群體快速擴張，之后的有效群體瓶頸發生在始新世—漸新世界線（全球顯著降溫事件）、中新世中期（降溫）、更新世時期（第四紀冰期），與已知的環境變化一致。這說明基因組能提供6500萬年以來樺木科整體的進化歷史。
圖 6 有效群體大小
3. 選擇清除分析
選擇清除區域基因的功能富集分析揭示3個顯著增加的GO分類：跨膜受體蛋白酪氨酸激酶信號通路、組氨酸磷酸化、longitudinal axis specification。這些功能與木質素和纖維合成、光信號傳導、胚胎發育、生殖隔離相關。
圖 7 選擇清除分析
以組氨酸磷酸化類別中的PHYC為例，PHYC和FRS10的同源基因在樺樹的基因組中緊密連鎖，在紅外和遠紅外光感受、避陰、樹冠密度、溫度依賴性適應和花期調控中起作用。PHYC是光敏色素同源基因，光敏色素是主要調控紅光和遠紅光響應調控物，在植物生長和生殖中起關鍵作用。PHYC也與生物鐘的溫度特異性調控相關。由于萌芽和開花都主要依賴于夜間溫度，樺樹中PHYC的功能或與光周期依賴的秋季花序分化、生長停止、耐寒性發展、衰老誘導相關，表明光信號傳感對樹木適應環境變化的重要性。
三、總結
植物基因組的多倍化和基因重復是進化的重要驅動力。宏進化研究基于直系同源和旁系同源基因的共線性分析，關注保守的核心功能，而基因重復為發育和生理調節等核心功能提供了多樣性。微進化基于群體SNP分析，關注群體結構、環境適應性等，研究環境壓力在基因層面的影響，而基因對環境壓力的響應形成了物種特異性的表型及生理特點。
圖 8 宏進化與微進化研究思維導圖
綜上，宏進化和微進化兩者的結合分別從時間尺度的大小、基因功能的保守與特化等不同層面闡釋了物種進化歷程和遺傳機制，作為群體進化的較為全面的研究思路值得參考。
參考文獻
Saloj?rvi J, Smolander O P, Nieminen K, et al. Genome sequencing and population genomic analyses provide insights into the adaptive landscape of silver birch[J]. Nature Genetics, 2017, 49(6):904.
