Herbariomics 揭示波罗的海沉水植物 Alisma wahlenbergii 实为广布种 Alisma gramineum 的孑遗种群：一个系统发育与生物地理学的典型案例
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这篇综述运用Herbariomics (馆藏标本组学)和生态位建模(ENM)，通过对沉水植物Alisma wahlenbergii的深入研究，挑战了其作为狭窄特有物种的分类地位。研究结合多基因系统发育分析、种群遗传结构和古气候模拟，发现所谓的A. wahlenbergii实为广布种A. gramineum独立扩散至波罗的海的孑遗种群，并非一个独立的演化谱系。这项工作不仅厘清了复杂的物种界限，也展示了馆藏标本基因组学在解决植物分类学与生物地理学难题中的巨大潜力。
引言
水生植物的物种鉴定与界定常因其形态简单、可塑性强且趋向进化而充满挑战，泽泻属（Alisma）便是其中一例。该属约含10种，广泛分布于北半球。其中一个备受争论的分类单元是狭域分布于波罗的海区域的沉水植物Alisma wahlenbergii。不同学者对其处理意见不一，或将其视为独立物种，或将其归并到广泛分布的两栖植物A. gramineum下。本研究旨在利用Herbariomics（从馆藏标本中获取基因组数据）和环境生态位建模（ENM），厘清这一特殊分类单元的分类地位及其生物地理历史。
材料与方法
研究团队从多个标本馆（TUR， TUR-A， H， HIB）采集了27份1901至2023年间的标本，并额外采集了来自芬兰湾Pyht??种群的2份新鲜材料。最终获得23个样本（8份A. wahlenbergii， 11份A. gramineum， 4份外群）的有效数据。使用改良CTAB法提取总基因组DNA，并在DNBSEQ-T7平台上进行测序。利用GetOrganelle软件从头组装叶绿体基因组（ptDNA）、线粒体基因组（mtDNA）和核糖体DNA（rDNA）区域。
分子数据分析采用了多种方法。首先使用NetView P网络聚类方法，基于遗传距离进行无监督的种群划分。随后，使用BPP程序基于“多种群溯祖”模型进行贝叶斯种群界定。系统发育分析方面，采用IQ-TREE对拼接的多位点数据集进行最大似然分析，并使用starBEAST3进行基于多物种溯祖模型的时间校准系统发育分析。物种边界通过Delineate程序，对从starBEAST后验分布中随机抽取的100棵物种树进行检验。此外，还对来自分子分析样品的18个形态特征进行了主成分分析（PCA）。在生态位建模部分，从GBIF下载A. gramineum的分布点数据，使用CHELSA生物气候变量和Maxent模型构建当前气候下的生态位模型，并将其投射到更新世-全新世的古气候场景中，以追溯潜在分布区的历史变迁。
结果
IQ-TREE分析显示，A. wahlenbergii的样本形成了两个得到完全支持但截然不同的分支，并深深嵌套在A. gramineum内部（图1）。NetView网络聚类分析在k≥5时，将所有A. gramineum和A. wahlenbergii种群聚为一簇。贝叶斯种群界定（BPP）的最佳模型将芬兰湾的A. wahlenbergii与来自荷兰和埃及的A. gramineum样本归为同一种群。为检验A. wahlenbergii的分类地位，研究采用了支持率次高的模型，该模型将芬兰湾的A. wahlenbergii（包括芬兰和俄罗斯的个体）归为一个独立种群（种群5），而波的尼亚湾的A. wahlenbergii与瑞典样本被归为另一个种群（种群4）。starBEAST分析同样将两个A. wahlenbergii种群（种群4和5）解析为嵌套在A. gramineum内部。来自瑞典的A. wahlenbergii样本在叶绿体和线粒体基因树中与波的尼亚湾的植物聚在一起，但在5'ETS、3'ETS和ITS2基因树中却与芬兰湾的A. wahlenbergii聚在一起（图4B），表现出冲突的系统发育信号。
Delineate物种界定分析压倒性地支持所有研究的A. gramineum和A. wahlenbergii种群为同一物种（H0），其边际概率（MP）范围在0.77至0.94之间；而将两个A. wahlenbergii种群视为一个独立于A. gramineum的物种（H1）的假设，其边际概率范围仅为0.00至0.06（图4A）。形态学PCA分析的前两个轴解释了总方差的46.8%，其中第一轴主要与沉水或挺水习性相关，但并未清晰地区分出A. wahlenbergii或将它们聚在一起（图2C）。
基于当前气候的Maxent模型测试AUC平均值为0.890。模型预测显示，芬兰湾沿岸和瑞典南部A. wahlenbergii的分布区在当前气候下是适宜的，但波的尼亚湾并未被预测为适宜区（图5）。古气候模型投射表明，在末次盛冰期（约2.1万年前），潜在分布区向南退缩并扩展至北非。在Heinrich事件（1.7万–1.47万年前）和B?lling-Aller?d暖期（1.47万–1.29万年前），白令陆桥地区出现了大范围的适宜区域。在全新世早期（1.17万–0.83万年前），东欧的潜在分布区扩张至卡累利阿南部。到了全新世中期（0.83万–0.42万年前），适宜区域围绕波罗的海南部扩张，并通过卡累利阿和芬兰中部到达波的尼亚湾。
讨论
研究结果提供了有力证据，表明A. wahlenbergii应被视为A. gramineum的同种异名。在基于遗传距离的聚类分析中，A. gramineum–A. wahlenbergii形成了一个集群。在溯祖模型构建的系统发育树中，A. wahlenbergii的样本深深嵌套在A. gramineum内部，且Delineate分析压倒性地支持单物种假说。这否定了A. wahlenbergii作为一个具有谱系完整性的独立物种的观点。
生态位模型（ENM）的古气候投射表明，波的尼亚湾种群可能源于末次冰期黑海避难所种群向西北方向的扩张，并在全新世中期（0.83万–0.42万年前）通过卡累利阿抵达波的尼亚湾。这一推测与叶绿体基因组数据显示的瑞典-波的尼亚湾种群与来自中国西部的植物关系较近的结果一致。相比之下，芬兰湾的种群在细胞器系统发育树中与中欧植物相关联，尽管核糖体DNA显示其与波的尼亚湾-中国西部植物关系更近。研究推测，中欧种群可能源自地中海附近的另一个冰期避难所，并较晚抵达波罗的海，在接触带（可能位于芬兰湾附近）与来自东南方向的种群发生了基因混合。根据此假说，气候条件在范围扩张至波罗的海后发生恶化，迫使所有北方种群在约四千年前消退，仅剩那些因沉没于海底而免受气候恶化的沿海种群得以幸存。因此，波罗的海种群实际上是孑遗种群，而非近期物种形成的例子。
从分类学角度，研究者认为Alisma wahlenbergii是A. gramineum的同义词，并将波罗的海区域视为不同种群谱系之间的边缘杂交带，而非芽殖物种形成的例证。此外，A. wahlenbergii在生态上并不统一和独特，沉水习性本身对A. gramineum而言并不罕见，且形态计量分析也未能将其与高度变异的A. gramineum区分开。
研究还揭示了其他类似的地理隔离或生态边缘种群。古分布模型未预测埃及存在适宜生境，但该物种确有分布，这可能源于水鸟迁徙带来的随机、短命种群或是冰期孑遗。美国密苏里州的一个隔离分布点也存在类似情况。北美样本的分析表明，来自美国西部的样本与中国东部的样本关系密切，而来自北美东部的样本在叶绿体基因树中则与推测的黑海避难所谱系（即波的尼亚湾的A. wahlenbergii和中国西部的A. gramineum）关系较近。白令陆桥地区在1.7万–1.29万年前存在广阔的潜在适宜区，研究者推测该区域可能曾维持这些样本的祖先种群，之后东亚种群从白令陆桥扩散而来，而中国西部种群则独立地从西方殖民。
本研究证明了利用馆藏标本材料（Herbariomics）解决此类问题的可行性。尽管取得了重要进展，但未来研究仍需获取更全面的核基因组数据，并进行更广泛的采样，特别是在此研究中被强调的对理解该物种冰后扩散历史可能至关重要的区域（如西欧、俄罗斯和亚洲中部）。
