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这篇研究通过构建首个山荆子（Malus baccata）单倍型解析的端粒到端粒（T2T）基因组，整合群体基因组学与基因型-环境关联（GEA）分析，系统揭示了这一苹果野生近缘种应对温度、降水等气候因子的遗传适应机制。研究发现，DREB1A/D和NAC6等关键基因与气候适应性显著相关。基于未来气候情景的基因组偏移（genomic offset）预测指出，东北种群面临最高的适应不良风险。本研究为作物野生近缘种的保护及培育气候韧性（climate-resilient）苹果品种提供了关键的基因组资源和理论依据。
A haplotype-resolved telomere-to-telomere reference genome for M. baccata
研究首先构建了山荆子（Malus baccata）首个单倍型解析的端粒到端粒（T2T）参考基因组。利用PacBio高保真（HiFi）测序、牛津纳米孔（ONT）测序和Hi-C技术，成功组装出两个高质量的单倍型基因组（MbaT2T_hap1和MbaT2T_hap2）。这两个基因组分别长约622.22 Mb和623.11 Mb，锚定至17条假染色体，覆盖度极高。评估显示，组装具有高完整性（BUSCO分数>98.5%）和准确性。该基因组注释出超过42,600个蛋白质编码基因，其中约60%为重复序列，以长末端重复（LTR）反转录转座子为主，其中Gypsy元件尤为丰富。与栽培苹果品种“金冠”（Golden Delicious）的比较基因组分析揭示了大量结构变异（SV），并鉴定出7,685个山荆子特有的基因，这些基因在光合作用、类黄酮代谢等生物学过程中显著富集。这一高质量参考基因组的建立，为后续精准鉴定变异和研究环境适应奠定了坚实基础。
Population structure and genetic diversity of M. baccata
通过对来自中国不同地区的138个山荆子个体（包括117个新测序样本）进行重测序及群体遗传分析，研究解析了其种群结构和遗传多样性。基于大量单核苷酸多态性（SNP）数据的主成分分析（PCA）、系统发育树和ADMIXTURE分析一致表明，山荆子自然种群可分为四个遗传簇：西北组（NW）、东北组（NE）、河北组1（HB1）和河北组2（HB2）。其中，HB2群体表现出最高的核苷酸多样性（π）和杂合度，且纯合片段（ROH）比例最低，暗示其经历了复杂的遗传混合历史。相比之下，NE和HB1群体的遗传多样性较低，ROH更长，近交程度更高。群体间遗传分化分析（FST）显示NE群体与其他群体（尤其是南方群体）分化显著。基因流分析（fb统计量）进一步揭示，HB1群体与NW和HB2群体之间存在显著的基因交流。这些结果表明，山荆子的种群结构不仅受地理隔离影响，更受到复杂的杂交和基因流历史的塑造。
Deleterious and adaptive variations in M. baccata
研究进一步评估了有害突变和适应性变异的分布模式。分析发现，具有更高杂交背景的HB2和NW群体，携带了显著更多的有害SNP和SV（加性模型）。有趣的是，在隐性模型下，这两个群体的有害SNP负载反而较低，暗示杂交可能有助于清除隐性有害突变，但同时累积了杂合有害负荷。相比之下，有害SV在三个遗传模型下均在HB2和NW中维持较高水平，表明SV可能因其更强的遗传负担和重组抑制而更难被清除。
为探究山荆子局部适应的遗传基础，研究整合了潜在因子混合模型（LFMM）和冗余分析（RDA）两种基因型-环境关联（GEA）方法。通过分析19个生物气候变量，并结合梯度森林（GF）模型筛选出6个关键不相关变量（包括温度季节性BIO4、最暖月最高温BIO5、年降水量BIO12等）。共识分析最终鉴定出3,671个SNP和214个SV作为与气候适应相关的“核心变异”。这些变异广泛分布于全基因组，主要位于基因上游顺式调控区（33.18%）和基因间区（26.70%），而非同义突变仅占4.60%。基因本体（GO）富集分析显示，这些核心变异相关的基因参与诸如芽系统形态发生、类异戊二烯代谢过程、过氧化氢响应等多种生物过程。此外，利用PCAdapt算法独立鉴定的基因组异常值（outlier）也揭示了与外部刺激调控、磷脂代谢过程相关的适应性基因。这些发现共同勾勒出山荆子多基因适应气候的复杂图景。
Local adaptation to temperature in M. baccata
研究深入解析了与温度适应相关的关键基因。两个串联重复的DREB转录因子同源基因DREB1A和DREB1D被显著鉴定出与温度季节性（BIO4）和最冷季度平均温（BIO11）等多个温度变量相关。在DREB1D上游发现了一个缺失型结构变异（DEL00116767），在DREB1A上游发现了一个SNP（4_8215096）。这两个变异的等位基因频率在地理分布上呈现出清晰的梯度变化，并与气候梯度显著相关。例如，携带缺失等位基因的个体主要分布在温度季节性较低的南方地区，而未缺失等位基因在温度季节性较高的东北地区几乎固定。对公开转录组数据的分析表明，DREB1A和DREB1D在冷胁迫处理下表达显著上调，进一步支持了它们在温度适应中的重要作用。
Local adaptation to precipitation in M. baccata
在降水适应方面，研究鉴定出NAC6转录因子与年降水量（BIO12）显著相关。一个关键的候选SNP（SNP_10_22531962）位于NAC6上游约1 kb的假定顺式调控区域内。该位点的等位基因频率与年降水量呈强正相关，其中G等位基因在多雨地区占主导，而A等位基因在干旱地区频率升高。扩展单倍型纯合性（EHH）分析显示，G等位基因具有稍高的EHH值，暗示可能存在微弱的正选择信号。转录组数据分析也证实，NAC6在淹水胁迫下表达显著下调。此外，研究还发现其他与降水相关的候选基因，如与最干月降水（BIO14）相关的FAX4（影响干旱胁迫下的膜稳定性）、与最湿季度降水（BIO16）相关的GRXC2（渗透胁迫诱导），以及与最暖季度降水（BIO18）相关的ADH2（增强耐涝性）。这些基因共同构成了山荆子应对降水变化的遗传网络。
Local adaptation to saline-alkali soil in M. baccata
除了气候因子，研究还探讨了山荆子对土壤环境的适应，特别是盐碱土。通过LFMM分析，鉴定了与7个土壤因子显著相关的5,034个SNP和1,730个SV，涉及2,202个候选基因。其中，土壤阳离子交换量（CEC_SOIL）是土壤肥力和盐碱缓冲能力的关键指标。与CEC_SOIL显著相关的750个基因，在酒精代谢过程、活性氧代谢过程、解毒、蛋白质自磷酸化等与盐碱胁迫耐受相关的生物学过程中显著富集。一个位于NPF基因编码区的SNP，其等位基因频率与CEC_SOIL水平呈显著正相关。单倍型分析显示，携带高CEC_SOIL等位基因（G）的单倍型EHH衰减更快。这些发现揭示了山荆子适应边际土壤的基因组基础。
Genomic offset reveals genetic vulnerability under future climate change
为评估未来气候变化下山荆子种群的适应风险，研究基于核心适应性变异和梯度森林模型，量化了基因组偏移。通过整合三种全球环流模型（GCM）和两种共享社会经济路径（SSP245和SSP585），对未来三个时期（2041-2060, 2061-2080, 2081-2100）进行了预测。结果显示，在高排放情景（SSP585）下，基因组偏移更大。空间分布上，东部和东南部沿海地区（特别是朝鲜半岛附近）的种群持续表现出比西部种群更大的局部偏移，表明这些边缘区域可能是气候脆弱性的热点。通过局部、前向（衡量种群追踪适宜生境所需的变化）和反向（衡量原地适应所需引入的基因流）偏移构建的RGB合成图进一步显示，中国东北部广大区域同时具有高局部和高反向偏移，意味着这些种群不仅面临剧烈的环境变化，也难以从其他种群获得合适的“供体”等位基因。相比之下，东部海岸线种群则承受着局部适应不良和需要向外迁徙的双重压力。
对四个遗传群体的比较发现，NE群体在所有未来情景和时间段下，都表现出最高的基因组偏移水平，且偏移值随时间持续增加，表明该群体对未来气候变化最为敏感和脆弱。相关性分析显示，基因组偏移（局部和反向）与有害突变负荷之间无显著关联，表明未来的气候脆弱性和累积的遗传负荷可能是两个相对独立的进化压力。然而，前向基因组偏移与有害变异（特别是纯合有害突变）之间存在微弱但显著的正相关，提示携带高纯合有害负荷的种群在追踪其气候生态位时可能面临更高的适应障碍。
DISCUSSION
综合而言，本研究提供的单倍型解析T2T基因组为山荆子的比较和群体基因组学研究提供了高分辨率参考。种群分析揭示了杂交、基因流和历史混合对当代遗传结构的深刻影响。HB2和NW群体作为高遗传多样性和独特适应性等位基因的储存库，具有重要的保护和育种价值，但其携带的较高杂合有害负荷也需在育种中谨慎处理。NE群体虽然遗传多样性较低，但可能拥有独特的抗逆等位基因，且被预测为未来气候变化下最脆弱的群体，需要优先保护。整合多方法的适应性分析，可靠地鉴定出一系列与温度、降水和土壤适应相关的候选基因和位点，如DREB1A/D和NAC6，尽管其功能有待进一步实验验证。
从保护角度出发，对HB2和NW等高遗传多样性群体应采取就地保护和迁地保护相结合的策略。对于脆弱的NE群体，则需要加强监测，并考虑辅助基因流，从更具适应力的群体引入预适应等位基因。同时，需权衡基因渗入在引入有益变异的同时可能增加有害负荷的风险。在育种策略上，可以瞄准具有互补遗传特征的种群，例如利用HB2群体的高多样性和NE群体的特定抗逆等位基因，共同提升栽培苹果品种的适应潜力。未来的研究需要整合多学科方法，包括功能验证、种群规模表达图谱分析以及长期基因组监测，以充分发挥山荆子等野生近缘种在应对气候变化、培育韧性作物中的巨大潜力。
