物種形成及物種界限（Speciation and Species boundary）的問題，是《Science》雜志2005年提出的125個重要科學問題之一，近年來受到了普遍的關注。物種（species）做為生命的最基本單元，是生物多樣性的最基本單位及組成部分。對物種的正確認識是生物多樣性保護、可持續發展等多方面重要的前提和基礎。但是同一屬下水平物種間平行進化（parallel evolution）現象嚴重阻礙了物種親緣關系的正確識別，尤其是對屬下水平分類學產生比較明顯的影響。揭示平行進化現象，闡明物種平行進化成因有助于對物種形成和物種界限維持產生積極的作用。同時，準確的親緣關系識別將對特定物種的保護中發揮先決作用。

隨著DNA測序技術的不斷發展，越來越多的證據表明分類學上界定的不同物種之間存在基因交流。這種基因交流包括第一代測序就能展現的葉綠體捕獲（chloroplast capture）再到如今高通量測序揭示的不同程度的基因漸滲（introgression）都表明物種與物種之間存在大量的雜交導致的基因交流現象。廣泛存在的雜交導致的基因交換逐漸被認為是物種進化的動力之一。但是，在廣泛存在的基因流背景下，物種如何維持自己的身份（identity）并保持與其他物種的界限是值得深入研究的問題。近年來的研究表明，物種之間絕對的界限維持非常罕見，物種的分化是一個動態持續的過程，且不同物種所處于的分化階段各不相同。物種界定面臨歷史范式爭議與未來實踐挑戰的雙重困境，直接影響保護優先區劃設與瀕危等級評估等核心工作。同時，物種邊界存在明顯動態特征，種間基因流持續重構種群間演化關系。為解析不同譜系維持生態位分化與遺傳完整性策略的協同機制，亟需基于整合物種概念構建多層次研究范式。

基于上述問題，西南山地植物多樣性格局與保護創新團隊研究人員結合遺傳、生態和環境證據來評估百合屬內一個單系但二型的分支（分別花喇叭型的岷江百合Lilium regale E.H. Wilson，以及花反卷的湖北百合L. henryi Baker為代表, 簡稱為Regal-Henry分支；圖1）的物種形成及分化的歷史過程，揭示物種界限維持機制。上述兩個代表物種分別由“翻開中國西部花園”的威爾遜（Ernest H. Wilson）和在中國采集標本最多的外國人“韓爾禮”（Augustine Henry）在19世紀末至20世紀初采集于四川和湖北并引入西方園藝界。前者由威爾遜致敬英國皇室被稱為皇室百合（Regal lily），是四川省特有植物，后者為紀念其采集者命名為亨利百合（Henry’s lily）。

圖1. Regal-Henry分支多基因物種樹（A）、花部形態特征及有效傳粉者（B）、開花時間（C）及生態位分化（D）。

對百合屬Regal-Henry分支六個物種的開花時間進行統計表明反卷型的兩個物種（湖北百合Lilium henryi和南川百合L. rosthornii Diels）及喇叭型大部分物種之間的開花時間具有顯著差異，僅宜昌百合L.leucanthum (Baker) Baker和瀘定百合 L. sargentiae?Wilson開花時間差異不顯著（圖 1C）。生態位分化分析表明兩個譜系之間的生態位差異顯著，而譜系內除岷江百合L. regale與其他喇叭型物種之間生態位差異較大外，其它物種之間的生態位差異不明顯（圖 1D）。

圖2. Regal-Henry分支種群遺傳結構和系統發育關系。（A）ADMIXTURE 所有居群K值2–6的遺傳結構。（B）PCA分析的前兩個主成分將所有居群分為三個組。（C）基于非連鎖SNP構建的系統發育樹。（D）基于核SNP與基于葉綠體全基因組構建的系統發育樹拓撲結構比較。

以岷江百合全長轉錄組為參考序列，對六個物種進行居群水平的轉錄組測序并比對到參考序列，獲取轉錄組水平的SNP開展群體遺傳學分析。結果表明兩個譜系之間的遺傳分化顯著，譜系內除岷江百合與其他喇叭型物種有較大的遺傳分化外，反卷型的兩個物種之間及其余三個喇叭型之間均存在分化不完全的現象（圖 2A–C），而質體與核 SNP 構建的系統發育樹之間拓撲結構的沖突也證實了這一點（圖 2D）。

圖 3. Regal-Henry分支物種有效種群大小隨時間的變化（A）和 fastsimcoal2 模擬的物種分化過程中的基因流發生情況（B）。

種群動態歷史分析表明，除宜昌百合、岷江百合和湖北百合的種群大小相對穩定外，其余三個物種均經歷了不同水平的種群收縮（圖 3A）。溯祖模型模擬揭示物種分化后發生了多次種間基因流事件，尤其是喇叭型三個物種間（宜昌百合、瀘定百合和淡黃花百合Lilium sulphureum Baker ex Hook. f.）自分化以來的持續基因流以及反卷型兩個物種間近期發生的一次顯著的基因流（圖 3B）。

圖 4. Regal-Henry分支物種的遺傳多樣性（A）、遺傳分化水平（B）、譜系間受選擇位點的鑒定（C）及受選擇基因的功能富集結果（D）。

對Regal-Henry分支六個物種的遺傳多樣性和遺傳分化水平進行分析發現譜系間的遺傳多樣性水平和遺傳分化水平差異較大，而組內的遺傳分化水平較小（圖 4A和B）。進一步通過基因組掃描分析在反卷和喇叭花兩個譜系間鑒定到105個可能受正選擇的轉錄本（圖 4C），對這些轉錄本進行功能富集分析表明，這些基因功能與響應環境刺激（例如晝夜節律和MAPK信號通路）、多種代謝與生物合成過程（例如花青素代謝），以及不同的細胞壁與結構通路（例如纖維素生物合成；圖 4D）相關，可能促進了兩種花型的物種間的分化。

研究結果表明，百合屬Regal-Henry分支物種的分化和維持是由適應性和非適應性過程的結合驅動的，突出了歷史氣候變化、生態適應和基因流在塑造該屬生物多樣性過程中的復雜相互作用。成果于近期以“Multi-disciplinary evidence illuminates the speciation history of a monophyletic yet dimorphic lily group”為題發表在中國科學院一區期刊Plant Diversity上，并被選為當期封面故事——“Speciation dynamics of Regal-Henry Lilies”。中國科學院成都生物研究所馮鈺助理研究員為第一作者，高云東副研究員為通訊作者。該項研究得到國家自然科學基金（32171605, 31770406）和四川省自然科學基金（2023NSFSC0141）的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.pld.2024.12.005