亮点：发现同域分布的多个近缘物种，在大规模基因渐渗发生时仍然维持稳定物种界限，是因为沿时间轴基因渐渗的异质性、渐渗大小和渐渗基因功能的不对称性所致。为理解同一地点/群落中，近缘物种多样性的维持机制提供了新的见解。

渐渗（Introgression）是自然界中一个重要的生物过程，即通过杂交和回交将一个物种的基因整合到另一个物种的基因组中。对于同域（Sympatric）分布的近缘物种（Closely related species）而言，种间渐渗常导致三种可能结果：1）渐渗使得亲本物种的生殖隔离等位基因发生同质化，从而导致亲本物种快速融合，这种现象也成为“物种形成逆转（Speciation reversal）”；2）杂交渐渗快速提供遗传变异，促进物种发生适应性辐射和新物种形成；3）由于强化效应（Reinforcement），杂交渐渗发生时亲本物种能维持的明显的物种界限。因此，同域近缘种在面临持续的种间渐渗时如何维持自身遗传和物种独立性，成为一个关键且有趣的科学问题。目前，已有众多研究揭示了同域近缘种的物种边界维持机制，但针对渐渗基因与非渐渗基因功能的比较分析，以及渐渗强度随时间变化仍缺少研究。

本研究以同域分布在中国云南省梁王山的姜科象牙参属五个同域近缘种：藏象牙参（Roscoea tibetica）、昆明象牙参（R. kunmingensis）、灵宝象牙参（R. lingbaoshanensis）、长柄象牙参（R. debilis）和先花象牙参（R. praecox）为研究材料，通过野外样本采集和形态数据测量，采用全基因组重测序技术，结合种群遗传学分析，比较五个近缘种的形态学特征、花期物候和交配系统差异，重建其系统发育关系和种群遗传结构，计算群体重组率（ρ）和核苷酸遗传多样性（π），检测不同物种对之间的渐渗强度以及渐渗在时间尺度的变化，推断并比较渐渗和非渐渗位点的潜在基因功能差异。研究结果表明：

（一）五个物种具有显著形态差异，其中昆明象牙参的形态介于藏象牙参和先花象牙参之间；除先花象牙参外，四个物种的花期具有明显重叠。

图1 象牙参属物种的采样位置和形态。（A）梁王山位于高海拔区（红色）范围内，周围环绕着阳宗海湖、抚仙湖和滇池三个高原湖泊。（B）和（C）为梁王山37个个体的采样位置。（D）五个近缘种的野外植株形态（地上部分），从左到右依次为长柄象牙参（Rde）、昆明象牙参（Rku）、灵宝象牙参（Rli）、藏象牙参（Rti）和先花象牙参（Rpr）;右上角显示了除灵宝象牙参（Rli）外各物种的柱头雄蕊形态。黑色箭头精确指向柱头。（E）五个物种的开花时间。（F）根据5个物种的植株性状进行PCA聚类，每个性状的所有多重比较见图S2。

（二）根据全基因组SNP位点和2330个基因树构建的全基因组系统发育树和物种树，以及PCA聚类分析，均支持五个物种划分为单系类群；然而叶绿体基因系统发育树并未将五个物种各自划分为单系，表明核基因树与质体基因树存在冲突。种群遗传结构分析显示，当种群数量（K）值设置为3~5时，多个个体显示具有混合遗传成分。表明五个物种之间存在杂交渐渗或不完全谱系分选（Incomplete lineage sorting，ILS）。

图2 五个象牙参属近缘物种的进化关系。（A）基于核DNA的树：使用全基因组SNP构建的最大似然树（左侧）和使用2330个基因树构建的物种树（右侧）。（B）全叶绿体基因组的质体树。（A）和（B）分支上的数字表示支持率。（C）基于全基因组SNP的种群PCA。3个假定杂交种和3个杂合个体（Rti-47、Rku-18 和 Rku-13）聚集在 藏象牙参、先花象牙参和昆明象牙参之间。（D）K = 3-5的种群遗传结构。

（三）在2330个100kb共有序列窗口中检测到5106个渐渗信号，结合窗口分化时间估算和物种对组成，渐渗事件在2~8 Mya之间十分频繁。先花象牙参与其他物种之间发生强烈且不对称渐渗，藏象牙参与其他物种之间发生对称的较弱渐渗。五个物种的种群重组率差异显著，藏象牙参和先花象牙参的重组率显著高于其他三个物种，且渐渗区域的重组率显著高于自身非渐渗区域的重组率；先花象牙参的核苷酸多样性（π）相对最高。

图3 五个象牙参属物种的渐渗频率、重组率（ρ）和核苷酸多样性（π）。（A）随时间变化的种间渐渗频率。暖色表示渐渗频率较高，冷色表示渐渗频率较低；色块上的数字表示渐渗频率，两个物种之间的箭头表示渐渗方向。色块左侧和顶部的列表示右侧相应渐渗方向的总体频率。（B）藏象牙参和先花象牙参与其他物种的渐渗频率成对比较。△_i是两个渐渗方向之间的频率差值。（C）五个物种在渐渗区域和非渐渗区域的重组率（ρ）比较。（D）五个物种的核苷酸多样性（π），方框表示平均值和误差范围。

（四）大多数物种对中，渐渗区域的基因功能与生殖性状无关。然而，在非渐渗区域内鉴定出许多与生殖过程相关的基因，且显著富集（P < 0.01）；这些基因参与了花发育、花发育调节、花发育负调控和生殖芽系统发育等过程。一个特殊案例显示，从昆明象牙参向先花象牙参渐渗的基因组区域中，没有检测到与生殖相关的基因功能，但从先花象牙参向昆明象牙参渐渗的基因组区域中，检测到与生殖相关的基因功能，该现象表明，物种相互渐渗的基因功能也存在不对称性。

图4 基因功能富集和协同途径。昆明象牙参向先花象牙参渐渗（A）和先花象牙参向昆明象牙参渐渗（B）的GO富集。（C）从QuickGO在线数据库中检索到的关键基因功能的整个GO祖先通路，与（B）中的关键GO项相对应；相同颜色的GO项框形成一整个GO通路。

（五）五个物种的历史有效种群规模表明，藏象牙参和 昆明象牙参中的某些个体，以及先花象牙参的所有个体，表现出与最近的共同祖先相似的时间。五个物种在历史时期经历了快速扩张-持续下降-近期恢复的种群动态模式。

图5 五个象牙参属近缘种的有效种群规模的历史变化。

五个象牙参属近缘种之间的渐渗模式，在基因流强度和渐渗基因功能方面均呈现不对称模式，证实了物种边界的半透性。而渐渗区域和非渐渗区域的基因功能差异，及其与生殖性状基因的潜在相关性，可能是象牙参属物种独立性维持、生殖隔离保持的机制之一。其次，五个物种的交配系统存在差异，即除先花象牙参（异交）外，其余四个物种均可自花授粉；灵宝象牙参长期保持花部闭合和较短花期，长柄象牙参存在延迟自交机制且花期较晚，这些机制均能有效隔离异质花粉的传播。此外，先花象牙参和藏象牙参在渐渗基因组区域保持较高的重组率，也有利于清除异源遗传物质。最后，五个物种之间渐渗频率随时间变化的模式，以及五个物种的有效群体大小历史动态，均反映了物种在面对广泛的杂交渐渗时，通过多种生理生态机制联合作用，抵抗渐渗带来的同质化效应。本研究以象牙参属植物为材料提供了明确的证据，表明随着时间推移，物种边界得到加强；而生殖隔离的逐渐积累，也是面对频繁渐渗却仍能维持明确物种的关键机制。研究成果以“Extensive Introgression Failed to Erode Species Boundaries Among Multiple Sympatric Closely Related Species of Roscoea”为题，发表在分子生态学领域经典期刊Molecular Ecology（https://doi.org/10.1111/mec.70083）。在读博士研究生陈虹帆为第一作者，赵建立研究员为通讯作者，密西西比州立大学Ryan Andrew Folk博士、中国科学院昆明植物研究所余香琴博士、云南大学李莉博士、王娅丽博士、王雯婧、邵国峻、黄美媛对本研究作出了重要贡献。