昆明植物所利用薯蕷屬植物分析繁育系統演變的遺傳效應
繁育系統是高等真核生物最重要的生活史特征之一，對有效種群大小、分子進化速率和遺傳突變積累等群體遺傳參數具有深刻影響。有性繁殖向無性繁殖的轉變將對基因組進化產生多重影響。相對于有性生殖物種而言，長期依賴無性繁殖的物種可能伴隨著遺傳負荷上升、環境適應力下降，并最終導致種群萎縮和滅絕風險上升等后果。盡管上述理論預期在不同層面上有過試驗驗證，現有的結果依然無法充分解析無性生殖方式在物種間的影響差異，尤其是在不同進化時間尺度上無性生殖的負面遺傳效應仍需進一步深入研究。薯蕷屬（Dioscorea）植物的繁育系統形式多樣，特別是兼具種子（有性）和珠芽（無性）的混合繁殖方式，是探索繁育系統多樣化對基因組進化的影響提供理想材料。
中國科學院昆明植物研究所（以下簡稱“昆明植物所”）植物性系統功能與演化（周偉）專題組在前期工作（Zeng et al. 2024,?New Phytologist;Wang et al. 2021,?Molecular Biology & Evolution;Zhong et al. 2019,?New Phytologist;Zhou et al. 2017,?New Phytologist）的基礎上，選用19個薯蕷屬物種作為研究對象，涵蓋了完全依賴種子進行有性繁殖的物種，主要通過珠芽進行無性繁殖的物種，以及同時利用種子和珠芽進行兼性繁殖的物種，基于轉錄組測序技術開展不同性系統間DNA序列分化與多態性比較分析（圖1）。研究發現，以無性繁殖為主的物種在重組缺失的情況下，穆勒棘輪（Muller’s Ratchet）效應將顯著加速近中性和中度有害突變的累積，負選擇效力的下降同時導致群體層面和物種層面的遺傳負荷上升（圖2）。相比之下，兼性繁殖的物種在群體水平上也存在明顯的遺傳負荷積累，但是，在物種層面卻沒有檢測到無性克隆所蘊含的負面效應，暗示一定配比的有性兼無性繁殖可能是一種較優的繁殖策略。薯蕷屬的研究工作表明，無性繁殖產生的負面遺傳效應不僅取決于繁殖方式發生及其持續的時間長度，同時也取決于物種對無性繁殖的實際依賴程度，揭示了植物繁育系統變異對基因組進化的復雜影響。
以上研究結果以Effects of mode of reproduction on genetic polymorphism and divergence in wild yams (Dioscoreaceae:?Dioscorea)為題發表在Plant Diversity。昆明植物所博士研究生王鑫和已畢業碩士研究生封慶紅為論文的共同第一作者，周偉研究員和王紅研究員為論文共同通訊作者。昆明植物所李德銖研究員、陳高研究員、蔡杰高級工程師、曾志華博士研究生，以及云南大學張志強副教授等參與了本項工作。該研究得到云南省青年人才項目、國家自然科學基金、云南省重點基礎研究計劃等項目的聯合資助。
圖1?薯蕷屬研究對象系統發育關系及代表物種繁育系統差異（e,f:?有性繁殖物種；g,h:?兼性繁殖物種；i,j:?無性繁殖物種）。
圖2?薯蕷屬不同繁育系統物種間分子進化特征和遺傳負荷比較。