群体简易基因组测序揭示沙米基因组水平的适应性进化及其对沙漠生态系统恢复的影响

温带荒漠生态系统是典型的脆弱生态系统，其稳定性的维持与改善关系着我国西部乃至全国的农业及生态安全，是我国生态文明建设的重点内容。通过对不同水热环境沙漠中植物局域适应性分化驱动机制的研究，不仅能全面挖掘抗逆遗传资源，还能进一步预测未来全球气候变化下荒漠植物的响应方式，为温带荒漠生态系统稳定性的维持和改善提供合理有效的理论指导。

沙蓬（Agriophyllum squarrosum (L.) Moq.），又名沙米，是一年生沙丘先锋植物。沙蓬的生态适应性范围极广，分布于我国北方年降水量为50-400 mm的各大沙漠以及沙地的贫瘠土壤上，是沙漠化逆转过程中的首要建群植物，在荒漠生态系统演替中起关键作用，并且还具有极高的营养和药用价值，是一种极具潜力驯化成应对全球气候变化的富含高营养的药食兼用经济作物，具有极高的生态效益和农业经济前景。

自2013年起，马小飞团队通过对中国地区沙米群体的谱系地理研究以及同质园实验发现，沙米不同群组间在遗传和表型上均发生显著的适应性分化。为了深入探讨沙米的局域适应性分化驱动机制，为荒漠生态系统稳定性的维持与改善提供定性评价和因地制宜的实践方案，该团队进一步对我国典型沙化土地区域的38个沙米群体的187个个体进行简易基因组测序。研究结果表明，我国北方沙米群体可分为3大支系，地理上分别命名为西北支系，中部支系和东部支系，通过系统分析表明，沙蓬可能起源于古尔班通古特沙漠西北部的布尔津县，然后进一步分为东部支系和中部支系。生态位模拟（ENM）数据表明三个支系间的生态位彼此独立，暗示了生态梯度会驱动不同沙蓬支系之间的基因组分化。接着，通过遗传与环境因子的关联分析进一步表明，受到歧化选择的三个SNP均与降水梯度密切相关，且其等位基因在群体中的频率分布在干旱区和半干旱区群体中具有显著的分化，表明降水可能是驱动沙蓬群体遗传分化的重要胁迫因子，并且这些适应性SNP可进一步用于特定沙化土地进行生态系统恢复的适宜种质资源基因分型的标记。此外，研究还发现，平衡选择可能是沙蓬保持其遗传多样性并适应沙漠环境异质性和和沙化土地多重环境胁迫的一种常见而有效的方式之一。这一研究从基因组的角度揭示了沙漠先锋植物——沙蓬对极端和异质性生境的局域以及整体的适应性遗传分化模式，不仅可以为中国干旱和半干旱地区的沙漠化土地恢复提供分子指导，而且有助于指导该潜在作物的标记辅助育种，以缓解未来全球气候变化所带来的粮食危机。

该成果以Genomic Adaptive Evolution of Sand Rice (Agriophyllum squarrosum) and Its Implications for Desert Ecosystem Restoration为题发表于Frontiers in Genetics的“Conservation Genomic Studies for Threatened Plants”专题上。马小飞研究员为文章通讯作者。

该研究获国家重点研发计划（2016YFC0500903）、国家自然科学基金（31901079和31770416）、甘肃省省级引导科技创新发展专项资金竞争性项目（荒漠营养和药用植物种质创新研发中心）、甘肃省重点研发计划（18YF1NA123）等项目共同资助。

文章链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fgene.2021.656061/full

沙米群体采样分布图及其遗传分组

沙米东部及中部支系模拟生态位示意图及其异质性分析