紅樹植物起源、進化及其對全球氣候變化的響應

責編 | 王一

自達爾文提出進化論以來，宏進化和微進化研究之間一直存在鴻溝。近年來隨著組學技術的進一步發展，系統發育基因組學、生態與進化基因組學方面的研究嶄露頭角。針對特定類群的多個代表性物種開展大規模基因組測序，結合計算生物學、生物地理學等多學科理論和方法，在組學層面系統地揭示生命演化及生物多樣性形成的遺傳機制，使打破宏進化和微進化之間的壁壘成為可能。

近日，中山大學生命科學學院

施蘇華/何子文

課題組在國際生態與進化研究領域頂級刊物

Nature Ecology & Evolution

上發表了題為

Evolution of coastal forests based on a full set of mangrove genomes

的研究論文

【1】

。該研究利用大規模基因組資料，探究了紅樹植物的起源、進化及其對全球變化的響應。

作為生長在熱帶亞熱帶海岸潮間帶的木本植物類群，70餘種紅樹植物分佈在被子植物生命樹的不同支系，但在生態系統中佔據同一功能地位，屬於同資源種團

（ecological guild）

。經過千百萬年進化，紅樹植物逐步適應高鹽、潮汐、高溫、缺氧等一系列極端環境，在防風固沙、侵蝕防治等方面發揮了重要的生態功能，被譽為

海岸衛士

。由於其特殊的生長環境和地理分佈，紅樹植物容易受到全球氣候變化，尤其是海平面變化的影響。因此，它們是開展生態與進化研究的理想物件。

課題組透過最新的第三代測序技術從頭測序組裝了四十餘種紅樹及近緣陸生植物的高質量基因組，結合已發表的其他序列，重建了涵蓋所有現存紅樹物種的系統發育關係。系統發育基因組的分析結果表明紅樹的起源時間並不侷限於以往認識的少數幾個時間視窗，而是在數千萬年裡陸續發生了27次獨立起源事件。進一步分析發現紅樹與其它陸生植物相比，其物種增長速率要小得多。這暗示了紅樹物種在潮間帶極端環境中的脆弱性，在歷史上可能經歷過多次物種滅絕事件。目前發現的幾個紅樹滅絕種的化石支援這一假說。

紅樹植物的27次獨立起源事件

為了進一步驗證紅樹植物在全球氣候變化下是否足夠強健，研究人員對現存紅樹物種的歷史群體大小動態變化分析，發現大多數紅樹物種在海平面快速變化時期發生了種群規模急劇減少和破碎分化。這說明雖然紅樹植物具有一定程度的潮間帶環境適應性，但在面對氣候快速變化過程中仍具有相當的脆弱性，導致部分紅樹物種在歷史上發生滅絕。在如今全球氣候變暖、海平面上升和人類活動日益增加的多重衝擊下，紅樹林生態系統正面臨著更嚴重的威脅，熱帶海岸生態系統可能會出現不可逆轉的生物多樣性減少。

這項研究透過大規模系統發育基因組學資料分析，釐清了紅樹植物的27次獨立起源，解析了紅樹適應性進化過程以及其對全球氣候變化的響應，解釋了“

佔據全球熱帶海岸的紅樹植物物種數量為什麼這麼少

？”這一謎團，

為應對全球氣候變化、保護海岸帶生態系統提供理論依據。該研究是首次以一個同資源種團為研究物件開展的大規模基因組學研究，為生態與進化基因組學開闢了新的研究正規化。

值得一提的是，該成果是中山大學施蘇華/何子文課題組繼2018年發現紅樹植株死亡率與其遺傳多樣性呈顯著負相關

【2】

，2019年提出可解釋生物多樣性熱點形成機制的全新物種形成模型

【3】

，2020年發現紅樹植物趨同進化的基因組機制

【4】

之後，在紅樹植物生態與進化研究領域的又一重要研究成果。

中山大學生命科學學院

施蘇華

教授為本篇文章通訊作者，

何子文

副教授為文章第一作者，博士研究生

馮梟

、

陳綺翩

以及青島華大基因研究院

李良偉

為文章共同第一作者。中山大學為該成果的第一和通訊單位。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、廣東省基礎與應用基礎研究基金、廣州市科技計劃專案、南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海）創新團隊建設專案等基金資助。

相關文獻：

［1］ Ziwen He， Xiao Feng， Qipian Chen， Liangwei Li， …， Suhua Shi。 Evolution of coastal forests based on a full set of mangrove genomes。 Nature Ecology & Evolution， 2022。

https：//www。nature。com/articles/s41559-022-01744-9

［2］ Zixiao Guo， Xinnian Li， Ziwen He， Yuchen Yang， …， Suhua Shi。 Extremely low genetic diversity across mangrove taxa reflects past sea level changes and hints at poor future responses。 Global Change Biology。 2018， 24（4）：1741-1748。

https：//onlinelibrary。wiley。com/doi/abs/10。1111/gcb。13968

［3］ Ziwen He， Xinnian Li， Ming Yang， Xinfeng Wang， …， Suhua Shi。 Speciation with gene flow via cycles of isolation and migration： Insights from multiple mangrove taxa。 National Science Review。 2019， 6（2）：275-288。

https：//academic。oup。com/nsr/article/6/2/275/5057885

［4］ Ziwen He， Shaohua Xu， Zhang Zhang， Wuxia Guo， …， Suhua Shi。 Convergent adaptation of the genomes of woody plants at the land–sea interface。 National Science Review。 2020， 7（6）：978-993。

https：//academic。oup。com/nsr/article/7/6/978/5741706

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41559-022-01744-9

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