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使用基因组数据绘制北美树木在冰河时代幸存下
编辑:亚搏   发布时间:2020-10-09 15:23

  在大约21,500年前达到顶峰的最后一个冰河时期,冰川覆盖了北美大部分地区,包括整个大湖地区。一旦冰层退去,土地就会逐渐被树木重新填充,最终形成茂密的森林。

  但实现这种巨大的冰后重新殖民化的树木来源是什么?确定这些所谓的冰川避难所的确切位置 - 当今森林物种的祖先在最后一个冰河时代幸存下来的地方 - 已经证明是困难的,并且是生物学家正在进行的辩论的主题。

  现在,密歇根大学的研究人员报告说,使用最近开发的遗传技术来估算两种广泛分布的山核桃物种,如菊苣和沙砾的冰河时代避难所的精确经度和纬度。

  他们的研究结果支持了一种有争议的观点,即一些树木可能存活在更远的北方,并且比通常所认为的更靠近冰盖。该研究计划于4月8日在美国国家科学院院刊上发表。

  研究人员寻找树木DNA过去地理迁移的特征。他们对山楂山核桃的研究结果支持了北方微型农业的概念,当地的气候条件可能使得孤立的树木种群在一个荒凉的气候区域内持续存在。

  “传统观点认为,这些树种只能在位于更南方的较大的避难所中存活,而区域气候则更加温暖,”PNAS论文的第一作者Jordan Bemmels说。

  “我们对山楂山核桃的研究结果提供了一些迄今为止最强有力的证据,证明北方的微型鱼类存在并且对整个冰河时期的一些温带树种的生存至关重要,”Bemmels说,他在UM部门的博士论文中进行了这项研究。生态学与进化生物学。

  北部微型穹窿的推断位置靠近密西西比河和俄亥俄河的交汇处,今天包括伊利诺伊州最南端,密苏里州东南部,阿肯色州东北部和肯塔基州最西部。

  事实上,这个位置距离田纳西州西南部的一个地点仅160英里,靠近孟菲斯,几十年前在这里发现了罕见的冰河时代遗骸。

  由于几个原因,确定冰川避难所的位置对生物学家来说很重要。除了帮助他们了解基本的森林历史,这些信息还可以让他们建立一个基线,显示树种在应对气候变化时能够多快和多远的迁移。

  此外,定位避难所有助于生物学家识别可能在遗传上独特且对保护工作很重要的树种群。最近重新定殖的北方树种群通常被认为对于保护遗传多样性和长期物种生存而言并不重要,相对于被认为是独特遗传多样性宿主的南方种群。

  但Bemmels和他的同事们得出的结论是“越来越多的证据表明扩大北方微小贫乏的迹象表明,遗传多样性管理的传统观念可能需要修改。”

  北美东部地区已提出众多避难地区,包括墨西哥湾沿岸,大西洋沿海平原,密西西比河下游河谷,南阿巴拉契亚山脉,佛罗里达半岛和德克萨斯州中部。

  多年来已经将各种研究工具应用于该问题,但是它们都具有局限性。基于气候的模型仅识别潜在栖息地的广泛区域,而对族谱谱系地理分布的传统研究提供了较差的空间分辨率。化石花粉记录提供了一些关于避难所位置的线索,但这些记录对于最后一个冰河时期北美东部大部分地区而言并不完整,并且难以解释。

  在目前的研究中,Bemmels和他的同事利用大型基因组数据集中的范围扩展信号,使用基于模拟的框架来推断北美冰川避难所对两种山核桃物种的精确纬度和经度。

  他们应用的技术是一种名为X-Origin的数据分析管道,是在密歇根大学的共同作者Lacey Knowles的实验室中开发的。它最初用于研究阿拉斯加鼠兔种群的扩展,但在了解陆地物种范围扩展的地理方面具有广泛的应用。

  研究人员检查了超过1,000种遗传标记,这些遗传标记分布在金针菇和沙格巴克山谷的基因组中,来自Bemmels的数据集,这些数据集是为他的博士论文的另一部分而生成的。从每个物种中的约150个个体收集遗传物质,跨越两个物种的整个范围。

  树木从其最初的源群迁移的方向和距离在其DNA足迹中留下了可以追溯到地理来源的独特模式。

  研究人员使用计算机模拟技术来模拟不同避难所的范围扩展,并产生对这些不同“扩张起源”可能产生的遗传模式的期望。

  然后,他们将模拟的遗传模式与从山核桃树DNA中提取的真实遗传模式进行比较,以确定最可能的情景。通过重复这个过程数百万次,他们能够统计估计现代种群的祖先在最后一个冰河时代幸存下来的纬度和经度 - 这是温带树木以前没有做过的事情。

  其他研究物种shagbark hickory的冰川避难所的推断位置位于墨西哥湾沿岸平原东部,包括大部分阿拉巴马州,密西西比州和路易斯安那州东南部。该地点对应于南部避难所的更传统的建议。

  “能够从种群基因组数据中提取有关物种在变化的气候条件下避难的细节推动了其分布的变化,这意味着研究人员的工具箱现在有了一种强有力的方法来识别任何物种中这种避难所的地理坐标,”诺尔斯说。

  共同作者迪克补充说:“尽管密西西比河谷中推断的北部避难所在冰川期间一般都是苛刻且不适宜居住,但冰川融水湖附近可能存在较温和的条件 - 被称为小气候 - 一些温带树种可能会持续存在。”

  PNAS论文的标题是“一些但不是全部北美树木的冰盖边缘附近存活的基因组证据”。

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