柑橘屬起源與演化

關鍵詞： 柑橘 進化 雜交 生物地理學

柑橘，芸香科柑橘亞科，廣泛分布在季風帶，關於各種柑橘起源是眾說紛紜，他們之間的雜交關係錯綜複雜。2014年，nbt 「Sequencing of diverse mandarin, pummelo and orange genomes reveals complex history of admixture during citrus domestication」向我們提供了更高質量的柑橘屬物種基因組，較2013年發表的甜橙基因組質量有顯著提高（contig N50=119Kb, scaffold L50=6.8Mb）。除此之外，該文也闡述了柑橘屬的演化、馴化等問題。

文章里說到，栽培柚來源祖先種C. maxima，栽培寬皮桔來源C. reticulata，並有C. maxima的滲入。甜橙和酸橙經歷了不同的育種過程，酸橙是祖先種C.maxima（母本）和C. reticulata（父本）的雜交F1代，而甜橙則是經歷了兩祖先種更加複雜的種質混合而成，否定了「甜橙來自柚和寬皮桔的簡單回交(C. maxima×C. reticulata) ×C. reticulata」這一假設，認為甜橙可能來自C. reticulata×（ (C. maxima×C. reticulata) ×C. maxima）雜交過程。

柑橘屬三個主要祖先種(C. reticula,C. maxima,C. medica)

(Velascoet al,2014)

如果nbt的文章揭示了柑橘種間的起源進化，那不久前發表在Nature的柑橘群體則是從時空角度闡釋了柑橘屬的演化過程。10個柑橘種的基因組學+系統發生+生物地理學分析，我們對柑橘有了進一步的認識。中新世後期隨著亞洲季風減弱，柑橘發生分化，並向東南亞快速傳播，這是第一次擴張。第二次擴張發生在上新世早期，越過華萊士線（動物地理區劃中東南亞區同澳洲區的分界線）傳播到澳大利亞。此外，雜交和混合基因組的鑒定分析解釋了柑橘主要商業品種的血統關係，Manderin（柑和桔，比較容易剝皮的那種，為了區分「柑橘」，下面一律「柑桔」代表）和甜橙存在的關聯性也一定程度上和人工馴化選擇有關。柑桔基因組中柚子基因組混入以及與果實大小、酸度相關性分析表明，柚基因組滲入對於柑桔的選擇可能起到重要作用。

Diversity and evolution of the genus Citrus

58份柑橘屬材料和2份外類群（枳屬和烏枳屬）（不包括體細胞突變），通過分析AIM（Ancestry Informative Marker or SNP，經過特殊篩選後的SNP）確定每一份雜交或混合基因型個體的局部片段的祖先來源，比較基因組進一步鑒定出材料間共有的單倍型。通過多樣性、主成分、葉綠體基因組系統發生關係分析，鑒定出10個祖先種。PCA分離3個祖先種香櫞Citron (C. medica)、柑桔Mandarin (C. reticulata)和柚Pummelo (Citrus maxima)，檸檬Lemon、萊檬Lime、橙子Orange和葡萄柚Grapefruit介於祖先種之間，為雜交種。

核苷酸多態性分布情況表示每份材料的種間分化和種內變異。相比種內多樣性（0.1-0.6%），雜交材料（比如酸橙、加利蒙迪亞橘、檸檬和非澳大利亞萊檬）有更高的雜合率（1.5-2.4%）。由於種間滲入，一些材料的雜合率呈現雙峰分布，比如甜橙、葡萄柚和一些高度雜合的柑桔。在沒有種間基因滲入的純種柑橘材料中，香櫞種內多樣性最低（~0.1% vs 0.3-0.6%），但並不是因為香櫞在擇偶問題上很專一，而是受到閉花受精的限制，縱使香櫞內心有著其他柑橘內心一樣的放蕩與不羈，天然的機械隔離註定要在花花開放之前完成自交。

Genetic structure, heterozygosity and phylogeny of Citrus species. a, Principal coordinate analysis of 58 citrus accessions. b, Violin plots of the heterozygosity distribution. c, Chronogram of citrus speciation. d, Proposed origin of citrus and ancient dispersal routes.

對於柑橘系統發生爭議不斷，表型、分子標記、葉綠體做出來的結果不盡相同，於是甲argue乙，乙diss丙。文章利用非基因區域和著絲粒區域的~36萬個SNP，得到基於全基因組範圍的系統發生關係。在雲南臨滄發現一塊中新世後期的柑橘化石，化石有著現在柑橘的主要特徵，這是目前擁有化石證據的最早的柑橘祖先，於是用800萬年錨定柑橘最早分化時間，其他柑橘種的分化時間相應也估算得出。

在600-800萬年前的中新世，喜馬拉雅山的脈隆起導致了亞洲季風模式的改變，同時也影響了北半球的冰川作用。東南亞地區季風漸弱，氣候由潮濕轉為乾燥適宜，這種氣候上的轉變導致了生物區的變化，適宜氣候使大型哺乳動物得以發展，由於無大的地理阻隔，它們交流、遷徙非常方便、頻繁，植物也不能閑著，也發生了大規模擴張，其中就包括柑橘。大約在400萬年前的上新世早期，柑橘漂洋過海，從東南亞傳播到澳洲大陸，大概是因為當時馬來西亞和華萊士線的地表抬升為柑橘的傳播提供了機會，同一時間也發生其他被子植物由西向東的遷移活動。

Pattern of pummelo admixture in the mandarins

基於59萬個AIM，找到46份柑橘材料的片段祖先來源。在28個柑桔基因組中，23個發現有柚子基因組的貢獻。根據柚子貢獻和混入程度，柑桔被分成三大類。第一類為純種柑桔（5），即沒有經過種間滲入。第二類，柑桔基因組中柚子貢獻1-10%，儘管16份材料源於柚的片段位置和長度不盡相同，但都來自柚P1和P2兩個單倍型。剩下的7份材料為第三類，屬於柚貢獻度比較高的（12-38%），除了P1和P2兩個單倍型，其他柚單倍型也有大量混入。

Segmental ancestry of 46 citrus accessions derived from the three progenitor species ofC. medica(CI),C. maxima(PU) andC. reticulata(MA). UNK, unknown.

Admixture proportion and citrus genealogy.a, Allelic proportion of five progenitor citrus species in 50 accessions. CI,C. medica; FO, Fortunella; MA,C. reticulata; MC,C. micrantha; PU,C. maxima; UNK, unknown. b, Genealogy of major citrus genotypes.

Domestication of mandarins and sweet orange

除去Tachibana共計27份柑桔材料之間有明顯關聯性，相反柚和香櫞種內沒有顯著關聯性，似乎是從群體中獨立選擇出來的。柑桔之間存在的關聯性網路說明了它們之間一定程度上共享C. reticulata單倍型，即來源同一單倍型。此外，甜橙和柑桔也共享C. reticulata單倍型，Late-admixture（Type3）的柑桔（Clementine和Kiyomi）是甜橙的直接後代，early-admixture（Type2）的柑桔中，Ponkan與甜橙的關聯性最強（r=0.36），甚至純種柑桔與甜橙的關聯性也有r=0.23。由於一些柑桔中缺少來自甜橙部分的柚單倍型，所以可以排除甜橙是柑桔共同祖先的說法。所選柑桔材料包括以前和現代品種，他們之間存在的廣泛關聯性可能與人工馴化選擇有直接關係，一些與目標性狀相關的祖先單倍型被保留下來，自然雜交產生的柑橘種質資源經過人工選擇後才得以出現如今廣泛的關聯性網路。

Citrus relatedness network and haplotype sharing with sweet orange.a, Genetic relatedness among 48 citrus accessions derived from four progenitor species including citrons, pummelos, pure mandarins and micrantha. b, Shown in decreasing order are the values of coefficient of relatedness between sweet orange and other accessions, with C. maxima (rP) and C. reticulata (rM) components in green and light salmon.

柚果實大，風味特殊，那麼柚的混入對於柑橘果實大小、酸度有何影響？線性回歸分析結果顯示，果實大小與柚基因混入比例之間呈強正相關（r=0.88）。果實風味（酸度）GWAS關聯到8號染色體0.3-2.2Mb區間，在這個區域，甜柑桔在該區域有柚混入，而酸柑桔沒有，最後從該區域的基因中篩選到一個調節檸檬酸合成的IDH基因。

Fruit size and acidity correlated with pummelo introgression

小編的話：文章系統解析了柑橘屬時空尺度上的起源演化和混亂的種間關係；利用AIM而不是全部SNP或者根據雜合率或缺失率過濾後的SNP，做系譜追溯（可能）更加可靠；利用關聯性網路分析種間關係和馴化，有趣的，雖然小編沒怎麼讀懂。

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