杜鹃花属物种光合作用相关基因对海拔响应的适应性进化

图1基于28个物种的叶绿体基因组中55个共有蛋白编码基因构建的最大似然（ML）系统发育树，分支处标有支持值，图中列出了各物种的GenBank登录号Figure1Maximum-likelihood(ML)phylogenetictreebasedonthePCGsof55sharedgenesfromchloroplastgenomesof28species.Thesupportvaluesareindicatedatthebranches.TheaccessionnumberofGenBankforeachspeciesislistedinthefigure.3.2杜鹃属物种光合作用相关基因的选择压力位点模型结果显示，仅在psaJ基因中，M8明显优于中性模型M8a，共检测到2个正选择位点（43和44）（PP>0.80）（表1）。表1psaJ基因位点模型结果Table1ResultsofthesitemodelonthepsaJgeneGeneModel-lnLModelcomparison2ΔlnLdfP-valueParametersPositivesite(PP≥80%)psaJM8237.878M8vsM8a32.3701<0.0011.3392.54143S1.000**44F0.932M8a254.063M0模型显示，psaA、psaB、psaJ、psbA、psbB、psbC、psbD、psbE、psbF和psbK基因的ω值分别为0.075、0.069、0.444、0.013、0.068、0.070、0.009、0.088、0.180和0.137（附表2）。自由比率模型（M1）与M0模型相比，无显著性差异。为了评估正选择是否作用于特定物种（分枝）特定位点，采用了更为严格的分枝位点模型。结果显示，5个正选择分枝包含4个基因（psaA,psaB,psbC,psbE）的6个正选择位点（图2，表2）。psaA在华顶杜鹃（Rhododendronhuadingense）和陇蜀杜鹃（Rhododendron_przewalskii）中表现出正选择，各有1个正选择位点。psaB在头花杜鹃（Rhododendroncapitatum）中表现出正选择，有1个正选择位点。psbC在华顶杜鹃（Rhododendronhuadingense）和都支杜鹃（Rhododendron_shanii）中也发现了正选择的证据，各包含1个正选择位点。此外，psbE在丁香杜鹃（Rhododendronfarrerae）表现出正选择，有1个正选择位点（PP>0.8）。

表2基于分枝位点模型的4个基因选择性压力分析Table2Selectivepressureanalysisof4genesbybranch-sitemodelGenesThebranchofModel-lnLModelcomparison2ΔlnLdfP-valueParametersPositivesite(PP≥80%)psaARhododendron_huadingenseMa3676.843MavsMa074.7101<0.001ω0=0.004ω1=1.000ω2=999.000211A0.935Ma03639.488ω0=0.006ω1=1.000ω2=1.000Rhododendron_przewalskiiMa3676.144MavsMa075.0881<0.001ω0=0.000ω1=1.000ω2=999.00060T0.947Ma03638.600ω0=0.000ω1=1.000ω2=1.000psaBRhododendron_capitatumMa3585.798MavsMa0125.1691<0.001ω0=0.044ω1=1.000ω2=889.97178V0.943Ma03523.214ω0=0.034ω1=1.000ω2=1.000psbCRhododendron_huadingenseMa2350.060MavsMa0101.0211<0.001ω0=0.000ω1=1.000ω2=1.000207S0.818Ma02299.549ω0=0.000ω1=1.000ω2=1.000Rhododendron_shaniiMa2348.718MavsMa0100.5201<0.001ω0=0.000ω1=1.000ω2=236.69422A0.955*Ma02298.458ω0=0.000ω1=1.000ω2=1.000psbERhododendron_farreraeMa388.793MavsMa08.96110.003ω0=0.044ω1=1.000ω2=999.00072P0.948Ma0384.313ω0=0.043ω1=1.000ω2=1.000图2通过分枝位点模型（圆）鉴定了光合作用相关基因(psa,psb)基因的阳性选择谱系。树中圆圈标签后面括号中的数字表示正选择的位点数量Figure2identifiesthepositiveselectionlineageofphotosynthesisrelatedgenes(psa,psb)throughabranchingsitemodel(circle).Thenumberinparenthesesafterthecirclelabelinthetreerepresentsthenumberofselectedsites.3.3光合作用相关基因进化速率与海拔之间的相关性分析线性回归分析显示，杜鹃花属psbE基因的末端ω与海拔之间存在正相关关系，表明随着海拔高度的增加，ω值有轻微上升的趋势。统计检验结果表明，该关系具有显著性（p-value:0.032）。当海拔高度从1000米变化到6000米时，观察到ω值呈现出一定的波动，但总体趋势是随海拔升高而略微增加。相比之下，其余9个基因均未观察到这种关联。图3psbE基因自由比率ω与海拔高度的线性回归Figure3LinearRegressionbetweenpsbEGenefree-ratioωofvsElevation4讨论4.1杜鹃花属物种中光合作用相关基因的进化模式杜鹃花属物种已进化出适应机制，包括抗氧化系统，能量代谢，以及其他相关的组织修饰、生理和生化适应和相关的分子机制[32-34]，以有效应对高海拔等极端环境。光合作用是植物生命活动的基础，光合作用系统PSI和PSII作为光合作用的核心组件[35]，在植物应对极端环境的胁迫起到了关键作用，并且光合作用相关基因如psbA在适应不同环境条件时经历了显著的进化[36]。也有研究表面，杜鹃花属植物大多地处严寒低氧的高原地带，ndhF等与光合作用相关的基因出现了复制，这可能与物种的环境适应性有关，并且这种适应性也可能影响其光合作用相关基因的进化速率[37]。在本研究中，我们的分析表明杜鹃属物种光合作用相关基因在高海拔环境条件下经历了适应性进化。M0模型显示，10个基因的ω值小于1（psbDωmin=0.009，pasJωmax=0.444），根据M1模型，有10个基因无显著差异（附表3），表明这些基因可能已经在较长时间内适应了当前的环境条件，并且达到了一个相对优化的状态，因此进一步表明纯化选择在维持光合作用相关基因的功能方面发挥了重要作用，并且光合作用相关基因在不同环境下的进化速率在各系中存在差异。此外，分枝位点模型检验显示了杜鹃花属物种光合作用相关基因的正选择位点数量。有4个基因中发现了受到正选择的分枝，其中头花杜鹃（R.capitatum）和陇蜀杜鹃（R.przewalskii）各有1个正选择位点，并且通过查询它们海拔分布范围可知，两者的分布海拔都在2500m以上，最高至4300m（图1，附表S1）。说明，psaA、psaB等光合作用相关基因在杜鹃花适应高海拔环境中起了重要的作用。值得注意的是，在psaJ基因中检测到的两个正选择位点（43和44），以及在其他四个基因（psaA,psaB,psbC,psbE）中发现的六个正选择位点，提示了这些特定位置在杜鹃花属物种对高海拔环境适应过程中的重要性。这些位点的变化可能直接或间接地影响了光合作用系统的效率，特别是在应对高海拔地区特有的强紫外线辐射、低温和低氧等恶劣条件时尤为重要[1]。例如，psaA和psaB基因参与构成PSI复合体，而psbC和psbE则是PSII的重要组成部分，它们的变异有助于提高光能捕获和电子传递效率，从而增强植物在极端环境下的生存能力[38]。我们的研究结果表明，在不同分布海拔段上的杜鹃属物种，其光合作用相关基因适应性进化的核心机制可能有不同的模式，并且其在适应高海拔环境的过程中发生了适应性进化。4.2基因进化速率与海拔之间的相关性分析光合作用是植物生命活动的基础，而光系统I（PSI）和光系统II（PSII）作为光合作用的核心组件，在应对极端环境中的胁迫中起着关键作用[38]。高海拔地区的植物面临着诸如低温、强紫外线辐射、低氧及极端温差等多重压力，有研究表明高山植物的光合速率比低海拔植物高[39]。本研究为了深入理解杜鹃花属物种光合作用相关基因如何适应高海拔等极端环境，我们通过线性回归分析揭示了杜鹃花种psbE基因的末端ω值与海拔之间的显著正相关关系（p-value:0.032），这表明随着海拔的升高，该基因经历了更高的非同义替换率。psbE基因编码的是PSII复合体中的一个亚基，参与了光反应过程中电子传递链的关键步骤[40]。并且杜鹃属物种在山区分布范围广，则需要更多的适应策略来应对环境异质性和多样化的选择压力[41-44]。物种可以通过进化出合适的机能性状来适应不同的环境。因此，psbE基因在不同海拔条件下表现出的适应性变化反映了其在维持光合作用效率方面的重要性。5结论杜鹃属植物作为高山生态系统中的重要组成部分，其具备较强的环境适应能力，并且分布范围广泛，因此杜鹃属物种成为研究物种对海拔适应性的理想类群。我们的研究结果表明，在杜鹃花属物种中，光合作用相关基因经历了不同的进化模式，在更高海拔物种上光合作用相关基因表现出强烈的正选择信号，并且相关基因也随海拔的上升呈现正相关线性关系。我们的研究结果进一步揭示了杜鹃花属物种光合作用相关基因对海拔响应的分子适应机制。

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