杨树响应气候变化的遗传演化特征

全球气候变化正以温室气体浓度持续上升、气温升高、降水分布格局改变以及极端气候事件频发为主要特征，严重威胁着人类生命健康和自然生态系统的稳定。森林作为生物遗传多样性的核心“基因库”，在应对气候变化和实现碳中和目标的过程中具有不可替代的重要作用。此外，大多数林木树种仍处于未被“驯化”的野生状态，在漫长的演化过程中积累了丰富的环境适应性遗传资源。因此，借助演化基因组学的方法，系统解析林木树种自然群体的环境适应机制，深入挖掘优良抗逆基因与自然变异，评估种群在未来气候变化情景下的遗传脆弱性，不仅为加速培育适应未来气候的林木种质提供了重要的理论依据，也为濒危种群的保护生物学研究提供了关键参考。

龙等人（https://doi.org/10.1093/molbev/msaf116）整合了进化基因组学数据集和方法，揭示了一种重要的高山森林树种对气候变化的反应和适应。封面图片说明了基因组数据提供的洞察力，这些数据以虚拟 DNA 样式的河流线表示，用于重建第四纪种群历史、揭示当今局域气候适应性以及预测种群对未来气候变化的反应。在一条从过去流向未来的河流旁，一个进化时钟象征着这些时空动态，并囊括了跨时空尺度的进化过程。

2025年7月7日，四川大学生命科学学院王婧教授课题组在Molecular Biology and Evolution以封面文章形式发表了题为Evolutionary Genomics Unravels the Responses and Adaptation to Climate Change in a Key Alpine Forest Tree Species的研究论文。本期封面以虚拟DNA状河流线条为设计主体，形象比拟利用群体基因组数据，从“演化时钟”视角深入揭示西南山地关键林木树种—大叶杨—响应气候变化的遗传机制。该设计展示了基因组数据在重建第四纪冰期以来种群动态历史、解析当代自然群体环境适应性遗传基础及预测未来气候变化响应中的重要作用。画面中，一条象征基因组数据的河流蜿蜒流淌，从过去奔涌向未来，与代表演化进程的时钟交相辉映，生动诠释了林木树种在时间与空间维度上对气候变化的连续性与动态适应。

Zhiqin Long, Yupeng Sang, Jiajun Feng, Xinxin Zhang, Tingting Shi, Lushui Zhang, Kangshan Mao, Loren H Rieseberg, Jianquan Liu, Jing Wang, Evolutionary Genomics Unravels the Responses and Adaptation to Climate Change in a Key Alpine Forest Tree Species, Molecular Biology and Evolution, Volume 42, Issue 7, July 2025, msaf116, https://doi.org/10.1093/molbev/msaf116

大叶杨（图片来源：邱园）

该研究以环绕四川盆地主要山脉呈环状分布的大叶杨（Populus lasiocarpa）为研究对象，从头组装并注释了高质量染色体水平的参考基因组，并对野外采集的22个自然群体的200个体进行了全基因组重测序。群体遗传结构分析表明，大叶杨自然群体主要分为东、西两个遗传谱系，且两大谱系的分化始于约6.6万年前。研究还显示，自第四纪冰期以来，大叶杨种群经历了持续的规模缩小过程（图1）。通过全基因组自然选择扫描，研究鉴定了一系列在东西谱系间受到分化选择和平衡选择作用的关键基因和变异位点，为阐释大叶杨的遗传适应机制提供了重要依据。

图1 | 大叶杨种群遗传结构和群体历史动态

在当代环境适应性过程中，研究表明，与环境适应相关的遗传变异显著聚集于单倍型区块（haplotype blocks）中。这些单倍型区块位于染色体上重组率较低的区域，能够通过连锁选择有效保留并快速固定有利变异，从而推动环境适应性演化（图2）。此外，对大叶杨东、西遗传谱系在水淹和高温胁迫条件下的多组织转录组进行测序分析表明，不同遗传谱系在瞬时胁迫响应中的基因表达可塑性存在显著差异。这种谱系间的遗传分化与其基因表达分化呈现出强相关性。

图2 | 单倍型区块富集了大量与环境适应性相关的遗传变异，这些变异广泛参与温度、降水等环境因子的适应过程

基于已鉴定的适应性变异位点，研究结合梯度森林深度学习模型，模拟了沿环境梯度的等位基因频率变化。通过整合局域环境适应性与未来迁移潜力，预测了不同自然群体在未来气候条件下的遗传脆弱性。结果表明，西部谱系在各种气候情景下的遗传脆弱性显著高于东部谱系。此外，西部种群积累了更多有害变异，且有害突变的累积程度与遗传脆弱性呈正相关性（图3）。值得注意的是，西部横断山脉作为全球重要的生物多样性热点，其高山林木树种在未来环境中的遗传脆弱性可能对区域森林生态系统的其他生物类群产生深远影响。因此，亟需加强对该地区野生天然林木树种的保护，制定科学合理的保护与管理策略，以应对未来环境变化带来的潜在挑战。

图3 | 大叶杨自然群体对未来气候变化的遗传脆弱性预测

综上，本研究通过演化基因组学的分析方法，系统阐明了自然选择、环境适应及基因表达可塑性在大叶杨自然群体应对气候变化过程中的关键作用，涵盖了过去、当代及未来多个时间尺度的响应机制。同时，结合局域遗传适应、迁徙潜力评估和有害突变负荷等多方面因素，全面评估了大叶杨种群在未来气候变化情景下的遗传脆弱性风险（图4）。研究结果表明，西部种群，特别是横断山地区的种群，对气候变化的适应能力最为脆弱，因此在保护与管理实践中应被优先关注。此外，研究进一步指出，未来亟需将表型特征和基因表达可塑性纳入基因组监测框架，以全面提升对物种应对全球气候变化的预测精度。这将为制定更加科学的保护策略提供可靠依据，并为其他物种的生物多样性保护和遗传资源管理提供重要参考。

图4 | 本研究结果综合概述

四川大学生命科学学院王婧教授为该论文通讯联系人，课题组已毕业硕士龙志琴（现为不列颠哥伦比亚大学在读博士生）、在读博士生桑宇鹏和冯佳珺为论文的共同第一作者。四川大学刘建全教授和毛康珊教授在研究材料收集方面提供了大力支持，加拿大不列颠哥伦比亚大学Loren H. Rieseberg教授为论文提供了宝贵建议。

该研究得到国家重点研发计划青年科学家项目（2022YFD2201200）、 国家自然科学基金(32371695, 31971567)、四川大学交叉创新基金及中央高校基本科研业务费项目(2023SCUNL105)等资金支持。