小麦D基因组物种的起源——同倍体杂交与祖先亚分化的区分

同倍体杂交物种形成（Homoploid hybrid speciation）即没有发生染色体数目变化的杂交物种形成过程，传统观点认为极少发生。但近年来随着高通量测序技术的发展，该现象已广泛报道于动植物的系统发育基因组学（phylogenomics）研究中，并已被认为是一种普遍的物种形成过程。当前推断杂交的主要的策略是通过排除不完全谱系分选（incomplete lineage sorting）的情况接受杂交的可能。但祖先亚分化（ancestral subdivision），即祖先群体的遗传结构分化，会引起不完全谱系分选的结果不符合理论情况，进而导致类似杂交的信号，使得当前策略无法推断真实杂交。而最近极具争议性的小麦D基因组物种的同倍体杂交起源问题，就是一个典型的例子。虽然，当前普遍认为D基因组物种（包括节节麦、沙融山羊草以及大部分山羊草属的二倍体物种）是由A和B基因组通过同倍体杂交形成。但由于所用方法的局限性，现有的结果并不能严格排除祖先亚分化的干扰。因此，本研究提出一种新的同倍体杂交的推断策略，以重新评价小麦D基因组供体物种的起源。结果如下：

（1）        一种推断同倍体杂交的新策略

该策略的原理是将物种间分享的等位基因变异（shared genetic variation）根据出现时间的不同划分两类：来源于祖先群体的祖先变异（ancestral variation）和物种分化后产生的系统发育信息变异（phylogenetically informative variation）。其中系统发育信息变异的分布受到杂交的影响，但不受祖先亚分化的干扰，因此可以用来判断同倍体杂交是否涉及D基因组物种的起源。直接鉴定系统发育信息变异实际比较困难，但可通过引入一个适当的外类群（outgroup），对祖先变异的分布进行评估，并通过统计方法推测所含有的系统发育信息变异的情况。基于该策略，我们提出了详细的ABD基因组系统发育关系的模型检验方法。

（2）基于Indel数据重新评价D基因组物种起源

分析采用Indel数据，以减少异源同型变异（homoplasy）的干扰。根据ABD基因组不同样本的组合，共6套数据被用于系统发育基因组学研究。首先，与前人所报道的结果一致，所有的数据显示D基因组的亲缘关系介于A与B基因组之间。KKSC test检测结果显示，所有的数据均强烈支持（P<0.01）同倍体杂交模型A(D)B。但正如前面所说的，KKSC test在祖先亚分化干扰情况下无法准确推断杂交情况。随后，以黑麦（R基因组）作为外类群，测量ABD基因组间分享的祖先变异分布，对6组数据中所含的系统发育信息变异进行推断。结果显示，系统发育信息变异仅存在于A与D基因组之间，并不存在与B与D基因组间，因而支持二叉树模型B(A,D)，即A与D具有更近的共同祖先。同时，对B(A,D)模型和A(D)B模型的适应性检验结果也表明，B(A,D)模型在所有数据中均可被接受，而A(D)B 模型被显著拒绝。因此，当祖先亚分化的干扰可以排除时，我们的结果并不支持D基因组同倍体杂交起源的假说。

（3）祖先亚分化对小麦近缘物种系统进化分析的干扰

预测模型中最佳拟合参数显示，超过79%分享的等位基因变异来源于祖先变异，并且祖先变异在后代物种中的分布并不满足不完全谱系分选所预测情况（AB<AD=BD）。这意味着，祖先变异可能受到了祖先亚分化的影响，使得B与D基因组之间分享了更多的祖先变异，进而导致D基因组亲缘关系介意A与B基因组之间。因此，最近的小麦近缘物种系统进化分析很有可能受到了祖先亚分化的严重干扰。另外，基于核基因组序列估计的分歧时间（estimated divergence time）实际也受到了高比例的祖先变异和祖先亚分化严重的干扰，导致两倍高于基于叶绿体基因组估计的时间。最后，根据现有的结果，我们提出了小麦D基因组物种亚群体分化起源的假说。

2020年4月7日New Phytologist杂志在线发表了这一由四川农业大学小麦研究所、澳大利亚联邦科工部以及澳大利亚昆士兰科技大学合作完成的原创性研究成果（Differentiating homoploid hybridization from ancestral subdivision in evaluating the origin of the D lineage in wheat）。四川农业大学为第一署名单位。