《Molecular Phylogenetics and Evolution》：Whole-genome analysis reveals the homoploid hybrid speciation of
Aquilegia rockii in a biodiversity hotspot
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本研究基于全基因组重测序数据及同倍体杂交物种形成检测方法，揭示华盖山绣球花属A. rockii起源于A. ecalcarata与A. kansuensis的古代杂交，其种群具有稳定的混合基因组，并通过关键基因的遗传实现杂交前生殖隔离，为高山地区植物多样性演化提供了实证案例。
张北溪|彭秋同|刘慧洁
河北大学生命科学学院，中国保定市五西路180号，071002
摘要
生物多样性热点地区——物种多样性和特有性极高的区域——为研究产生和维持生物多样性的进化过程提供了前所未有的机会。横断山脉（HDM）就是这样一个重要的全球热点地区。在这项研究中，我们基于全基因组重测序数据以及最近开发的同倍体杂交物种形成（HHS）检测方法，探讨了Aquilegia rockii物种的物种形成机制。我们提供了明确的证据，证明A. rockii是一个独立的进化支系，由A. ecalcarata和A. kansuensis的古老杂交事件产生。A. rockii的种群表现出稳定的混合基因组特征，这些特征来自其两个亲本物种。此外，我们识别出了参与配子前生殖隔离（RI）的关键基因，这些基因可能有助于A. rockii的建立和维持。我们的研究为HDM地区的HHS现象提供了一个有力的实证例子，并强调了配子前生殖隔离在其中的重要性。我们认为，HHS可能是植物多样性形成中的一个重要组成部分，尽管目前对其认识还不够充分，不仅限于HDM地区，也适用于全球的山区植物群落。
引言
生物多样性热点地区是特有物种高度集中的区域，是研究物种如何随时间演化和多样化的天然实验室（Myers等人，2000年；Stubbs等人，2023年）。山区热点地区在这方面尤为重要：尽管它们仅占世界陆地面积的25%，却包含了大约87%的陆地脊椎动物和维管植物多样性（Rahbek等人，2019b年）。位于中国西南部的横断山脉（HDM）就是这样一个典型的例子。该地区的海拔范围从1400米到5300米不等，核心海拔带为2000至4500米，一年中任何时候都可能出现降雪或零下温度（Sun等人，2017年）。这种由剧烈海拔梯度和地形复杂性塑造的环境异质性，孕育了北半球最丰富的植物群落之一，其中包含约12,800种植物，其中至少有3,300种是特有物种（Li和Li，1993年；Sun等人，2017年；Wu，1988年）。HDM地区的显著植物多样性不仅源于古老的残遗物种，更主要来自于众多新物种和亚种的出现与传播（Sun等人，2017年；Yang等人，2019年）。这使得HDM成为研究物种如何在山区演化和积累的焦点区域（Chen等人，2019年；Liu等人，2014年）。
构造抬升及其伴随的环境变化被认为是该地区高植物多样性的关键驱动因素，主要是通过地理隔离促进的异域物种形成（Hughes和Atchison，2015年；Xing和Ree，2017年）。根据这一观点，造山过程形成了高度异质的景观，促进了种群的分化和快速演化（Favre等人，2015年；Liu等人，2014年；Muellner-Riehl，2019年；Wen等人，2014年）。然而，最新研究表明，仅靠造山作用不足以解释该地区物种多样化的剧烈爆发（Herrando-Moraira等人，2025年）。实际上，地形复杂性、晚中新世的气候波动以及更新世期间的相对气候稳定性在促进物种积累方面起到了关键作用。此外，沿环境和海拔梯度的生态分化可能促进了邻域物种形成（Liu等人，2014年），进一步增强了谱系的多样化。这些发现支持了一种综合观点，即抬升作用为物种演化创造了条件，而气候动态和生态机会共同推动了HDM地区的高植物多样性。
然而，在这些情况下，物种形成过程中通过隔离屏障或不同生境完全阻止杂交和基因流动的可能性较低（Yang等人，2019年）。这部分归因于该地区的独特地形：一系列主要呈南北走向的高山被深谷分隔（Chen等人，2019年；Sun等人，2017年）。在HDM的西部，三条主要河流最为接近，相邻山谷之间的最短距离不到64公里（Gao等人，2020年），因此种子和花粉可以跨越这些短距离的地理障碍（Wu等人，2022年）。此外，气候变化导致的山地生境反复变化经常促进了先前隔离物种之间的二次接触（Antonelli等人，2018年；Rahbek等人，2019a年）。与此一致的是，该地区几乎所有物种丰富的属中都记录到了自然发生的种间杂交现象（Yang等人，2019年），包括Rhododendron（Ma等人，2022年；Milne等人，2010年）、Primula（Ma等人，2014年）、Ligularia（Liu等人，2006年）和Cupressus（Xu等人，2010年）。
杂交逐渐被认为是植物多样性的重要驱动因素（Abbott等人，2013年；Baack和Rieseberg，2007年；He等人，2019年；Rieseberg，2019年；Soltis和Soltis，2009年；Taylor和Larson，2019年；Yang等人，2019年）。这是因为杂交不仅提供了适应性变异的来源，从而促进了物种形成，更重要的是，它还可以通过杂交物种形成产生新的物种（Abbott等人，2013年；Kim和Rieseberg，1999年；Meier等人，2017年；Seehausen，2004年）。杂交物种形成包括两种类型：杂交多倍体化（异倍体多倍性）和同倍体杂交物种形成（HHS）（Abbott等人，2013年；Rieseberg和Willis，2007年）。HHS指的是一个新的、具有生殖独立性的谱系的杂交起源，且不伴随倍性水平的改变（Long等人，2026年）。长期以来，HHS在植物中被认为较为罕见，主要是因为人们认为同倍体杂交体与其亲本物种之间的配子前隔离难以建立，因此难以通过实证方法证明（Rieseberg和Willis，2007年；Schumer等人，2014年；White等人，2018年）。然而，Wang等人（2021年）发现，即使在同域分布的情况下，亲本物种间遗传的替代等位基因也能显著诱导杂交后代与其两个亲本物种之间的直接配子前隔离。利用这一框架，越来越多的实证研究表明HHS可以很容易地发生（Wang等人，2022b年；Wu等人，2023年；Zhang等人，2023年；Zou等人，2022年）。鉴于HDM地区杂交现象的普遍性，HHS很可能对该地区的植物多样性做出了重要贡献。为了评估这一贡献的程度，需要进一步的研究来探讨HDM地区内不同植物群体中HHS的发生情况。
Aquilegia（毛茛科）物种A. rockii Munz、A. ecalcarata Maxim.和A. kansuensis（Brühl）Erst构成了研究HDM地区HHS的理想系统。这三个物种的关键特征总结在表1中。Aquilegia的系统发育研究表明它们是一个单系群（Fior等人，2013年），但在花形态上存在显著差异（图1a）：A. ecalcarata没有距，而A. rockii和A. kansuensis都具有形状不同的蜜腺距（Xue等人，2019年）。值得注意的是，A. ecalcarata和A. kansuensis分布广泛，并且在同域环境中经常发生杂交（Liu等人，2025年），而A. rockii主要局限于HDM及其周边地区（Weng等人，2023年）。它们主要表现为异域分布，但在HDM内部偶尔也会出现同域分布（Weng等人，2023年）。A. rockii和A. ecalcarata的分布区域比A. kansuensis更寒冷和干燥（补充图1）。这些特征使这个系统成为研究在地形复杂环境中HHS是否以及如何发生和稳定的理想模型。先前的研究表明这些物种之间存在广泛的杂交现象，并根据基因组混合的初步证据推测A. rockii可能是A. ecalcarata和A. kansuensis的杂交产物（Liu等人，2025年），但尚未对HHS假说进行严格验证。
在这里，我们利用之前发表的全基因组重测序数据（Geng等人，2021年）来验证A. rockii是否由A. kansuensis和A. ecalcarata的杂交产生。首先，我们进行群体基因组分析以确定A. rockii是否代表一个独立的进化支系。然后，我们使用杂交检测方法来确定其种群是否具有来自两个亲本物种的一致基因组贡献。最后，我们识别出可能参与配子前隔离的关键基因，并提出了该系统中HHS的合理机制。我们的研究证实了A. rockii是一个古老的同倍体杂交物种，并提供了一个实证例子，说明杂交如何通过从每个亲本继承互补的、具有生态意义的等位基因直接产生配子前隔离。这一发生在地形复杂的HDM地区的案例表明，HHS在促进全球山区植物多样性方面可能起着重要作用，尽管目前对其认识还不够充分。
部分内容摘录
基因组序列数据
数据集来自Geng等人（2021年）（NCBI BioProject PRJNA690975），包含324个Aquilegia物种（A. rockii、A. ecalcarata、A. kansuensis、A. yangii Luo和Li、A. yabeana Kitag.）的全基因组重测序数据。所有个体的全基因组测序是在Illumina HiSeq 4000平台上进行的，预期测序深度为20×，读长为150 bp。在本研究中，我们重点关注了这些个体
群体结构和系统发育分析
基于10,271个独立SNP的系统发育重建将这三个物种分为两个支系：A. ecalcarata形成了一个包含A. kansuensis和A. rockii的支系，每个物种都被确认为单系群（图2a）。基于5,610个独立非编码SNP的群体结构分析显示了明显的遗传聚类模式。假设两个祖先簇（K = 2）的ADMIXTURE分析揭示了A. ecalcarata和A. kansuensis之间的完全遗传分化
A. rockii的杂交起源
之前已有研究表明A. rockii与其两个亲本之间存在系统发育分歧，这通常归因于基因流渗入（ILS）和基因导入（Geng等人，2021年；Huang等人，2018年；Liu等人，2025年）。然而，具体的进化过程——即是否属于HHS——至今尚未得到明确验证。我们的综合分析提供了多条支持杂交起源的证据。我们的分析表明A. rockii形成了一个独特且稳定的谱系（图2）。
未引用的参考文献
Reid，1998年；Wu和Raven。CRediT作者贡献声明
张北溪：撰写——初稿、可视化、软件、方法论。彭秋同：撰写——初稿、可视化、软件、方法论。刘慧洁：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。致谢
我们感谢两位审稿人提出的宝贵建议，这些建议有助于改进手稿。我们衷心感谢杜惠龙教授在计算资源方面提供的技术支持，这对生物信息学分析至关重要。同时，我们也感谢王泽福教授在生物信息学分析方面的专业知识。本工作得到了河北大学校长基金的支持（资助编号：XZJJ202514）。
