【研究进展】施苏华教授/何子文副教授团队在红树植物进化研究领域取得系列重要成果
【研究进展】施苏华教授/何子文副教授团队在红树植物进化研究领域取得系列重要成果
发布日期：2022-05-01
自达尔文提出进化论以来，宏进化和微进化研究之间一直存在鸿沟。近年来随着组学技术的进一步发展，系统发育基因组学、生态与进化基因组学方面的研究崭露头角。针对特定类群的多个代表性物种开展大规模基因组测序，结合计算生物学、生物地理学等多学科理论和方法，在组学层面系统地揭示生命演化及生物多样性形成的遗传机制，使打破宏进化和微进化之间的壁垒成为可能。
近日，我室施苏华/何子文课题组在国际生态与进化研究领域顶级刊物Nature Ecology & Evolution上发表了题为Evolution of coastal forests based on a full set of mangrove genomes的研究论文(1)。该研究利用大规模基因组数据，探究红树植物的起源、进化及其对全球变化的响应。
作为生长在热带亚热带海岸潮间带的木本植物类群，70余种红树植物分布在被子植物生命树的不同支系，但在生态系统中占据同一功能地位，属于同资源种团（ecological guild）。经过千百万年进化，红树植物逐步适应高盐、潮汐、高温、缺氧等一系列极端环境，在防风固沙、侵蚀防治等方面发挥了重要的生态功能，被誉为海岸卫士。由于其特殊的生长环境和地理分布，红树植物容易受到全球气候变化，尤其是海平面变化的影响。因此，它们是开展生态与进化研究的理想对象。
课题组通过最新的第三代测序技术从头测序组装了四十余种红树及近缘陆生植物的高质量基因组，结合已发表的其他序列，重建了涵盖所有现存红树物种的系统发育关系。系统发育基因组的分析结果表明红树的起源时间并不局限于以往认识的少数几个时间窗口，而是在数千万年里陆续发生了27次独立起源事件。进一步分析发现红树与其它陆生植物相比，其物种增长速率要小得多。这暗示了红树物种在潮间带极端环境中的脆弱性，在历史上可能经历过多次物种灭绝事件。目前发现的几个红树灭绝种的化石支持这一假说。
图1. 红树植物的27次独立起源事件
为了进一步验证红树植物在全球气候变化下是否足够强健，研究人员对现存红树物种的历史群体大小动态变化分析，发现大多数红树物种在海平面快速变化时期发生了种群规模急剧减少和破碎分化。这说明虽然红树植物具有一定程度的潮间带环境适应性，但在面对气候快速变化过程中仍具有相当的脆弱性，导致部分红树物种在历史上发生灭绝。在如今全球气候变暖、海平面上升和人类活动日益增加的多重冲击下，红树林生态系统正面临着更严重的威胁，热带海岸生态系统可能会出现不可逆转的生物多样性减少
这项研究通过大规模系统发育基因组学数据分析，厘清了红树植物的27次独立起源，解析了红树适应性进化过程以及其对全球气候变化的响应，解释了“占据全球热带海岸的红树植物物种数量为什么这么少？”这一谜团，为应对全球气候变化、保护海岸带生态系统提供理论依据。该研究是首次以一个同资源种团为研究对象开展的大规模基因组学研究，为生态与进化基因组学开辟了新的研究范式。
该成果是中山大学施苏华/何子文课题组继2018年发现红树植株死亡率与其遗传多样性呈显著负相关(2)，2019年提出可解释生物多样性热点形成机制的全新物种形成模型(3)，2020年发现红树植物趋同进化的基因组机制(4)之后，在红树植物生态与进化研究领域的又一重要研究成果。我室施苏华教授为本篇文章通讯作者，何子文副教授为文章第一作者，博士研究生冯枭、陈绮翩以及青岛华大基因研究院李良伟为文章共同第一作者。有害生物控制与资源利用国家重点实验室为该成果的第一和通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金、广州市科技计划项目、南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）创新团队建设项目等基金资助。
[1] Ziwen He, Xiao Feng, Qipian Chen, Liangwei Li, …, Suhua Shi. Evolution of coastal forests based on a full set of mangrove genomes. Nature Ecology & Evolution, 2022.
https://www.nature.com/articles/s41559-022-01744-9
[2] Zixiao Guo, Xinnian Li, Ziwen He, Yuchen Yang, …, Suhua Shi. Extremely low genetic diversity across mangrove taxa reflects past sea level changes and hints at poor future responses. Global Change Biology. 2018, 24(4):1741-1748.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/gcb.13968
[3] Ziwen He, Xinnian Li, Ming Yang, Xinfeng Wang, …, Suhua Shi. Speciation with gene flow via cycles of isolation and migration: Insights from multiple mangrove taxa. National Science Review. 2019, 6(2):275-288.
https://academic.oup.com/nsr/article/6/2/275/5057885
[4] Ziwen He, Shaohua Xu, Zhang Zhang, Wuxia Guo, …, Suhua Shi. Convergent adaptation of the genomes of woody plants at the land–sea interface. National Science Review. 2020, 7(6):978-993.
https://academic.oup.com/nsr/article/7/6/978/5741706
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