植物所合作揭示活化石銀杏的種群進化歷史

2020-12-06 中國科學院

　　活化石類群起源古老，往往一個支系僅現存一個物種，形態性狀保守，現存分布範圍狹窄，具有重要的保護價值，因此達爾文認為活化石是研究物種滅絕、競爭、適應性等進化生物學核心問題的絕佳體系。銀杏(Ginkgo biloba L.)是著名的活化石森林樹種，其祖先起源於2.45億年前。儘管經歷了地質歷史時期的多次全球氣候震蕩以及人類歷史時期的人類活動幹擾，但銀杏仍然存活至今，並在全球廣泛栽培，因此，銀杏被認為是人類保護和復興瀕危物種的正面案例。但現存銀杏是否應該得到重點保護一直存在很大爭議，具體體現為兩個核心科學問題：一是銀杏是否仍存在野生種群？野生種群分布在中國哪些地方？二是銀杏是如何倖存下來？其進化潛力如何？

　　中國科學院植物研究所葛頌團隊2016年首次與浙江大學傅承新-趙雲鵬團隊、華大基因研究院三方合作聯合發表了銀杏基因組草圖。此次三個團隊再次合作，通過對全球採樣的545個銀杏基因組重測序揭示了活化石銀杏種群進化歷史、避難所及進化潛力。

　　該研究在染色體水平HiC基因組組裝和分析的基礎上，利用國產BGISEQ-500二代測序儀，對採自全球51個種群545棵銀杏大樹進行了全基因組測序，產出了44Tb的海量數據，構建了迄今最大的非模式物種序列變異資料庫。種群遺傳結構和動態歷史模擬分析發現，銀杏在中國存在3個避難所：東部（浙江天目山為代表）、西南（貴州務川、重慶金佛山為代表）以及南部（廣東南雄、廣西興安為代表），大巴山脈和湖北大洪山區分布的銀杏是南部和西南部種群在冰期形成的混合種群，更新世晚期（51萬至14萬年前）的多次冰期既導致了不同避難所種群之間的分化，也促進了不同避難所特有遺傳成分的混合，從而在物種水平維持了這一活化石植物較高的遺傳變異。

　　該研究進一步表明，遍布全球的銀杏幾乎均源自以浙江天目山種群為代表的中國東部種群，銀杏遷移到日本和韓國要早於其遷移到歐美，且發現歐洲的銀杏源自中國而非一直認為的源自日本，證實了人類在銀杏從避難所向中國其他地區以及向全球遷移過程中的重要作用，從而揭示了現存銀杏全球分布格局的基本成因。該研究還藉助全基因組掃描方法嘗試尋找與銀杏適應環境密切相關的基因和代謝途徑，為進一步探討銀杏瀕危的可能機制以及這一明星物種的保護、栽培和擴繁提供了有重要價值的資料。

　　該研究獲得的多項證據結合現存銀杏全球分布格局表明，銀杏並非處於滅絕旋渦或進化末端，而是具有足夠適應潛力的活化石物種。同時，該研究證實的銀杏野生種群大多不在自然保護地內，受人類活動幹擾嚴重，而且種群大小較小，十年野外監測幾乎未見幼樹和幼苗的天然更新。因此，銀杏野生種群及其核心種質資源亟需重點和精準保護。該項工作不僅為銀杏的後續研究建立了進化框架，為其種質資源開發提供了寶貴的遺傳資源，而且為其他活化石物種的研究和保護提供了可借鑑的範例，有助於最終揭示物種適應和滅絕的規律和機制。

　　該研究成果於9月13日在線發表於國際學術期刊《自然-通訊》（Nature Comunications）。浙江大學生命科學學院副教授趙雲鵬、碩士生殷平平，華大基因範廣益、孫帥、洪曉寧，中科院植物所博士生李寧為該論文的共同第一作者；植物所研究員葛頌，華大基因博士徐訊、劉心，浙江大學教授傅承新為共同通訊作者。該研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院基金等的資助。

　　論文連結

 

圖1 銀杏種群遺傳結構

 

圖2 銀杏種群動態歷史

相關焦點

  • 銀杏屬於瀕危植物，為何在很多公園都有？基因測序告訴你答案！
    銀杏在世界自然保護名錄中屬於瀕危植物，有活化石之稱，也是我國獨有的植物。我們經常在公園或者馬路邊看到的銀杏，基本上都是通過人工培育（無性繁殖）得到的，基因測序表明，世界其他地方的銀杏幾乎都來自於浙江省天目山，現有銀杏已經失去了基因的多樣性，屬於孑遺物種，自然繁衍下去大概率會滅絕。
  • 銀杏水杉為什麼說是活化石?
    世界上已知的植物被稱為活化石的並不多，其中水杉和銀杏就是。一、什麼叫活化石活化石是在漫長的歷史演化的過程中，自身沒有發生進化，並且它的生長過程中間也沒有被間隔，並且到現在還在頑強的生存者的生物。因為這些生物在地球上的就像記錄者一樣，給科學家的研究提供了很大的幫助。
  • 中國獨有的銀杏，明明滿大街卻是極其珍稀物種？基因揭示古老秘密
    相信不少人在小學都學過一篇活化石的文章，而銀杏樹儼然就屬於活化石的一種。為什麼會將這樣一顆感覺處處可見的樹木歸結為活化石呢？要知道，化石几乎都是成千上百年，經過歲月的沉澱後，保留下的無生命體徵的東西。而銀杏樹儼然是一種「精力旺盛」的植物。
  • 我們最常見的兩種植物活化石,它們有什麼樣的前世今生?
    我們經常看到聽到活化石這個詞，但並不是從遠古一直活到今天的就叫活化石。一般來說是它的親戚在歷史的年輪中死的差不多了，它和它的祖先特徵都幾乎沒什麼不同的生物，叫活化石。我們日常中最常見的活化石有這幾種：植物中，銀杏、水杉，它倆就相當於植物界的大熊貓；動物中，國寶大熊貓，娃娃魚。當然除此以外還有很多很多的活化石，這裡就不一一舉例了。
  • 現代植物活化石是什麼?答案居然是銀杏……
    1994年，科學家們在澳大利亞發現了恐龍時代的植物「活化石」——瓦勒邁杉。恐龍就是以瓦勒邁杉的樹葉為食的。地質歷史上出現很早，至今仍存活於世上未滅絕的生物統稱為活化石。狹義上的活化石是指孑遺生物。孑遺生物是那些在古老的地質年代中曾經非常繁榮，種類眾多、分布廣泛的生物，由於後來迅速衰退，只留下1~2種孤獨地存在於個別地區並有日趨滅絕之勢的物種。
  • 中外科學家合作發現一種植物「活化石」——穗花杉
    在植物界，大家最為熟悉的活化石便是銀杏了
  • 為什麼銀杏和水杉被稱為活化石?
    為什麼銀杏和水杉被稱為活化石？ 因為他們及其珍貴，有著悠久的歷史，與它們同期的動植物早就滅絕了。只有它們的生命力非常頑強，是植物界的"明星"，而且樹形美觀，具有很好的觀賞和研究價值。
  • 動物所等揭示金絲猴植食性適應分子機制及其進化歷史
    （各30×左右），通過比較基因組學，結合功能實驗和宏基因組分析，揭示了靈長類植食性適應的分子機制，並闡明了金絲猴屬的起源和演化歷史。有趣的是，儘管金絲猴的嗅覺基因中有61.7%為假基因（這可能與金絲猴萎縮的外鼻孔以及嗅覺系統退化相關），但在其與牛的基因組比較分析中卻發現33個快速進化的嗅覺基因，且大部分這些嗅覺基因（69.7%）可能參與感知水果、植物等氣味相關，這一比例高於其他相關的物種；利用基因組數據，這次研究還首次對與植食性緊密相關的RNASE1基因的複製區域進行界定，針對RNASE1的序列比較及功能實驗結果支持「一次複製假說
  • 基因測序揭示驚人事實
    中國種植銀杏的歷史非常悠久，邳州的一顆銀杏樹種植於北魏正光年間，距今已經有1500年歷史。北海道大學銀杏基因檢測揭示全球銀杏品種分布2019年中科院植物研究所與浙大的科研團隊，以及華大基因研究院，對全球51個分布的銀杏種群採樣了其中545個研究樣本，進行基因測序，試圖揭示這些種群之間的關係！
  • 有些植物被稱為活化石,那麼植物活化石有哪些?
    關於植物活化石植物活化石，是指在在地球史上出現過，而在地球上的大部分地方已經絕跡，只有在某些狹小的地區保存下來的植物。例如銀杏、杜仲、金錢松、珙桐、紅豆杉等樹種。植物活化石：銀杏銀杏樹又名白果樹，古又稱鴨腳樹或公孫樹。遠在二億七千多萬年前，銀杏的祖先就開始出現了，和當時遍布世界的蕨類植物相比，它還是高等植物。到了一億七千多萬年前，銀杏已和當時稱霸世界的恐龍一樣遍布世界各地，後來，絕大部分銀杏像恐龍一樣滅絕了，只在我國部分地區保存下來一點點，流傳到至今，成為稀世之寶。
  • 2.7億年前就出現在地球上的銀杏 靠這種「神力」存活至今
    銀杏不僅生命力頑強，還是我們熟知的「活化石」。研究發現，銀杏長壽的秘密主要有兩方面原因:一是樹幹形成層幹細胞不進入衰老階段；二是樹體的抗性超強。　　大約2.52億年前，地球生物圈經歷了一場名為「二疊紀-三疊紀大滅絕」的歷史事件。化石記錄表明，絕大多數海洋生物在這場浩劫中消失，陸生動物也被摧毀將近一半，地面上的植物紛紛死亡。　　距今1.4億年前，自然的新寵——被子植物突然出現，開始吞噬裸子植物的生存空間。
  • 幾度秋意濃,又是銀杏葉黃時
    稀有這個詞可能跟銀杏對不上，然而，在生物進化的過程中，銀杏的生存之路可謂艱辛坎坷…… 陸地上，本內蘇鐵目、銀杏類植物深受打擊，為被子植物的崛起鋪平道路。白堊紀伴隨恐龍走了一部分，而且幫助銀杏傳播種子的動物也滅絕了。 後來全靠人類大面積種植才救回來。
  • 昆明植物所解析極小種群野生植物漾濞槭全基因組—新聞—科學網
    記者從中科院昆明植物所獲悉，該所極小種群野生植物綜合保護團隊完成了漾濞槭全基因組測序、組裝，獲得了近於染色體水平的高質量全基因組
  • 武漢植物園古老孑遺植物群體基因組學和適應性進化研究獲新成果
    揭示環境多元的異質性與生物遺傳變異之間的相互作用是理解物種進化歷史的關鍵，為研究全球氣候變化下生物的適應性進化和瀕危物種的保護提供了重要理論依據。然而，對於非模式物種，環境變化如何促進物種分化以及適應性進化的遺傳基礎知之甚少。
  • 跟銀杏一樣古老?穗花杉起源至少1.6億年
    侏羅紀植物化石揭示穗花杉
  • 湖北發現植物「活化石」長果安息香 種群規模可觀
    新華社武漢4月22日電（記者馮國棟、李思遠）湖北後河國家級自然保護區日前發現我國特有瀕危植物種群——長果安息香。據介紹，這是後河保護區首次發現這一物種。種群生長良好，規模可觀。長果安息香又名長果秤錘樹，是中國特有的珍貴園林觀賞樹種，被稱為植物「活化石」。
  • 道虎溝化石表明1.6億年前的穗花杉與銀杏類一樣是活化石
    活化石」這一概念最早出現於達爾文1859年所著的《物種起源》一書。「活化石」所反映的形態演化遲滯現象是演化生物學最令人饒有興趣的科學問題之一。 我國現代植物多樣性豐富，其中不乏大量起源古老的科屬和孑遺類群。根據化石記錄，我國的珍稀植物滇桐、珙桐、青錢柳和水杉等最早記錄可追溯至新生代早期；臺灣杉、雪香蘭等可追溯至早白堊世。
  • 為什麼「活化石」上億年都不再進化了?
    而活化石通常是指種系發生中的某一線系長期未發生前進進化，也未發生分支進化。更未發生線系中斷（絕滅），而是處於停滯進化狀態的生物，而且它必須是現存的種類。在生物學上，活化石又稱為孑遺（jieyi）物種。存活上億年的「活化石」在當下，能稱得上是活化石的生物有很多，比如硬骨魚綱下的矛尾魚、哺乳綱下的大熊貓、爬行綱下的鱷魚、銀杏綱下的銀杏、松柏綱下的水松等等。
  • 現存的最古老活化石古銀杏都分布在哪裡?
    西安銀杏西安羅漢洞村觀音禪寺內有一棵千年銀杏樹。這棵銀杏樹是當年唐太宗李世民親手栽種，距今已有1400多年歷史，已被國家列為古樹名木保護名錄。這棵銀杏樹下落滿黃葉，像金黃的地毯鋪了一地，來看落葉的人絡繹不絕。浙江古銀杏浙江杭州古銀杏樹種植於隋朝，樹齡1410年。
  • 幾近滅絕的銀杏為何能延續至今？
    Carr自1997年開始就在銀杏林工作，他說秋天變暖和銀杏落葉時間延後的趨勢非常明顯。「現在落葉時間似乎更接近10月底或11月的第一個星期。」　　不過，這並不是這一古老物種第一次面臨重大的氣候變化。銀杏的故事並不是人們所熟悉的人類忽略大自然的又一個案例。