2022-04-20
《Annals of Botany》
影響因子：4.357
派森諾與山東農(nóng)業(yè)大學(xué)王年課題組在《Annals of Botany》發(fā)表了題為Molecular and morphological analyses clarify species delimitation in section Costatae and reveal Betula buggsii sp. nov. (sect. Costatae, Betulaceae) in China 的新研究成果！研究綜合多種方法澄清了樺木屬碩樺組（Costatae）種間界限，并發(fā)表了碩樺組一新物種Betula buggsii （秦巴樺）。該研究進(jìn)一步豐富了我國樺木屬種質(zhì)資源，為該屬種質(zhì)資源的收集和保護(hù)奠定了基礎(chǔ)。
研究背景
樺木廣泛分布在北半球，是森林生態(tài)系統(tǒng)重要組成成分，極具生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。樺樹屬（樺樹科）是一個(gè)具有許多分類學(xué)挑戰(zhàn)的屬。包括大約65個(gè)物種和亞種，此外由于廣泛的形態(tài)變異、頻繁的種間雜交和多倍化，樺木屬種間分類一直困擾著分類學(xué)家。
為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，在本研究中采用綜合方法，結(jié)合多種形態(tài)學(xué)和遺傳學(xué)方法，解決了樺樹屬碩樺組的分類不確定性。將形態(tài)學(xué)、分子[微衛(wèi)星基因分型、核內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)（ITS）測序和限制性位點(diǎn)相關(guān)DNA測序（RAD-seq）]與倍性分析（流式細(xì)胞）相結(jié)合，以解決碩樺組內(nèi)的分類學(xué)問題。例如，微衛(wèi)星標(biāo)記可以有效地檢測最近的種群分化，而RAD-seq可以有效地推斷最近分化物種的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。倍性水平可以作為生殖隔離的良好指標(biāo)，尤其是二倍體和四倍體。基于多方面的證據(jù)，本文提出了一種修正的方法來處理樺木屬碩樺組內(nèi)的物種邊界。
研究材料與方法
1.實(shí)驗(yàn)材料
2018年-2021年在原生境采集樹枝樣本。基于地理分布和形態(tài)分類，收集樺木屬碩樺組（Costatae）二倍體、四倍體共計(jì)5種10個(gè)亞群的樣本，包括糙皮樺（糙皮樺亞種[B. utilis ssp. utilis]和紅樺亞種[B. utilis ssp. albosinensis]）、岳樺（B. ermanii）、碩樺（B. costata）和B. ashburneri，以及“二倍體”紅樺（B. albosinensis [DA]）。Ashburner和McAllister主編的樺木屬分類專著記載的糙皮樺（簡稱B. utilis [AM]）和我國植物志記載的糙皮樺（B. utilis [FC]）。
2.測序策略
簡化基因組測序（RAD-seq）
3.分析內(nèi)容
形態(tài)測定、基于RAD-seq的群體進(jìn)化分析（PCA、進(jìn)化樹、遺傳結(jié)構(gòu)）、ITS的系統(tǒng)發(fā)育分析等。
研究結(jié)果
形態(tài)測定分析
使用GPA對地標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)，并對“二倍體”紅樺、 紅樺亞種、國外記載糙皮樺、我國記載糙皮樺、碩樺、岳樺的葉片形狀變化進(jìn)行PCA分析，結(jié)果岳樺（B. ermanii）和碩樺（B. costata）的重疊程度要小很多。其中PC1表示的形狀變化主要受葉長和葉寬的影響。
圖1 植物葉片形態(tài)變異的主成分分析（PCoA）
基于簡化基因組&SSR的群體結(jié)構(gòu)分析
基于RAD-seq測序數(shù)據(jù)得到的所有SNP進(jìn)行PCA分析，同時(shí)基于15個(gè)SSR的結(jié)果也進(jìn)行PCA分析，基于SSR的PCA結(jié)果顯示聚成五個(gè)簇，前三變異率占總43.8%。結(jié)果中紅樺亞種分為兩組：I組與國外糙皮樺基本重合，而II組與所有其他物種分離。基于SNP的PCA分析結(jié)果與基于微衛(wèi)星標(biāo)記的PCoA一致，支持了紅樺亞種分為2組，且 II組和碩樺分離，且這兩種同時(shí)與其余物種也分離。
圖2 基于82137 SNPs和15個(gè)微衛(wèi)星的PCA與群體結(jié)構(gòu)分析
基于簡化基因組測序和ITS的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建
倍性研究表明紅樺亞種II組和我國糙皮樺為二倍體，其余物種為四倍體。基于ITS的系統(tǒng)發(fā)育樹顯示，B.buggsii樣本形成了一個(gè)單獨(dú)聚類，表明該物種同樺木屬其它物種存在明顯差異，即非已發(fā)表的樺木屬其他種。基于2,285,620個(gè)SNPs的系統(tǒng)發(fā)育樹顯示，紅樺II類形成了一個(gè)支持率為100%的單系分支，為系統(tǒng)發(fā)育單系。綜合ITS和SNPs的數(shù)據(jù)結(jié)果推測紅樺II類可能為一個(gè)疑似新物種。
圖3 基于ITS序列（A）和SNP（B）的樺木屬系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。藍(lán)色標(biāo)注的為秦巴樺（B. buggsii）
新物種秦巴樺的確定
形態(tài)學(xué)結(jié)果表明紅樺樹皮呈塊狀剝落，而該疑似新物種樹皮呈條狀剝落（形態(tài)差異）；基于ITS的系統(tǒng)發(fā)育結(jié)果表明，該疑似物種聚為一支，非已發(fā)表的樺木屬其它物種；核基因組系統(tǒng)發(fā)育表明該疑似新物種的個(gè)體聚為單系（系統(tǒng)發(fā)育單系）；流式細(xì)胞儀以及基于雜合SNP位點(diǎn)推測的結(jié)果表明該疑似新物種為二倍體，而紅樺為四倍體（生殖隔離）；基于SNP及微衛(wèi)星標(biāo)記的結(jié)果一致表明，該疑似新物種同碩樺組其它物種存在明顯的遺傳分化，且不存在遺傳混合（非雜交個(gè)體）。
綜上所述我國樺木屬碩樺組可以分為六個(gè)種和亞種：Betula ashburneri、碩樺（B. costata）、岳樺（B. ermanii）、糙皮樺（B. utilis ssp. utilis）、紅樺（B. utilis ssp. albosinensis）及秦巴樺（B. buggsii）。
圖4 樺木屬碩樺組種間界定示意圖（A）及物種間區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)（B）。
研究結(jié)論
物種劃分已從使用單一標(biāo)準(zhǔn)的研究轉(zhuǎn)向使用多種方法綜合研究。隨著先進(jìn)測序技術(shù)的迅速出現(xiàn)，雖然基因組數(shù)據(jù)在解決復(fù)雜物種關(guān)系方面越來越強(qiáng)大，但多種標(biāo)記共同輔助分組會(huì)更好。
本文綜合以下標(biāo)準(zhǔn)定義新物種秦巴樺（B. buggsii）：第一，形態(tài)差異性（形態(tài)學(xué)物種概念）；第二，系統(tǒng)發(fā)育單系（系統(tǒng)發(fā)育物種概念）；第三，同近緣種的生殖隔離（生物學(xué)物種概念）；第四，非雜交個(gè)體；第五，排除為已發(fā)表的其它樺木屬物種的可能性。進(jìn)一步豐富了我國樺木屬種質(zhì)資源，為該屬種質(zhì)資源的收集和保護(hù)奠定了基礎(chǔ)。
本研究的簡化基因組測序（RAD-seq）和群體進(jìn)化的數(shù)據(jù)分析由上海派森諾生物科技有限公司完成。如需進(jìn)一步討論，歡迎發(fā)郵件或者致電我們喲（郵箱地址：[email protected]，聯(lián)系電話：021-64502808-8203）！
文章索引：Wang LW, Ding JY, Borrell JS,et al. (2021). Molecular and morphological analyses clarify species delimitation in section Costatae and reveal Betula buggsii sp. nov. (sect. Costatae, Betulaceae) in China.Front. Cell. Infect. Ann Bot. 2022 Mar 23;129(4):415-428. doi: 10.1093/aob/mcac001.
