在生物进化过程中, 自然杂交对物种形成有着重要的影响。多倍化和同倍体杂交物种形成是通过杂交产生新种的两种主要方式。普遍的观点认为多倍化是植物物种形成的主要动力, 而越来越多染色体倍性相同物种之间杂交现象的发现, 说明同倍体杂交也是物种形成的重要方式。目前按严格标准确定的同倍体物种形成案例相对较少, 还亟需对更多不同类型的种间杂交带进行形态与分子等多方面证据的调研, 并通过模型预测与实测数据分析, 来探讨杂交物种形成初期乃至整个过程的遗传基础; 更多杂交物种形成的新模式材料, 有待于通过分化谱系的历史基因流重建进行鉴定, 用于进一步阐释自然选择对于生殖隔离形成的影响、物种形成过程中的生态适应变化和多样性遗传创新的产生规律。本文简要综述了自然杂交的研究历史, 阐述其相关概念、研究方法和基因组时代杂交与物种形成研究的最近进展, 并针对拟解决的关键问题提出相应的分析见解, 以期为后续研究和涉及杂交的物种多样性保护提供借鉴。

杂交通常指不同类群间(种间或种内)经有性途径的遗传交流。越来越多的研究表明, 作为一种遗传交换过程, 杂交是生物多样性形成、维持和丧失的重要机制, 它广泛参与了动物、植物、微生物等的类群分化。然而, 我们对杂交过程中遗传交换的普遍性、存在模式、产生机制的认识还非常有限。当前, 高通量测序技术的飞速发展和基因组学研究技术的普遍应用, 为深入评价遗传交换的普遍性和进化意义提供了前所未有的契机。如何选用恰当的研究技术与策略检验潜在的杂交并评价它的特征, 成为大家普遍面临的问题。本文试图综合来自系统发育和群体遗传等相互关联学科中不同的技术策略, 以当前流行的高通量测序技术为核心, 结合表型和细胞遗传学等多种数据获取和分析手段, 概括不同分析策略的特点, 联系必要的实例研究, 为生物多样性与进化领域的学者提供检测遗传交换的参考。

杂交(hybridization)与多倍化(polyploidization)普遍存在于现存植物类群中, 并对物种形成(speciation)与多样化(diversification)起到了重要作用。在以往的研究中, 已有众多的学者分别从生态学、生理学与遗传学等角度对植物杂交与多倍化进行了广泛的探讨。本综述侧重于从进化生物学的角度探讨表观遗传变异在植物杂交与多倍化过程中所起到的作用, 并基于在拟南芥(Arabidopsis thaliana)、水稻(Oryza sativa)和芸薹属物种(Brassica spp.)中已有的实例探讨表观遗传变异与表型革新(phenotypic novelty)的相关性。通过对已有研究的总结与展望, 我们建议将进化表观遗传学研究扩展到自然群体和多个近缘物种间比较的水平, 并同时需要改进从全基因组水平鉴定关键表观遗传变异的检测方法。

生殖隔离是生物多样性产生的重要原因之一, 不同物种间的生殖隔离形成阶段、方式和强度不完全相同。为了揭示生殖隔离在鼠尾草属(Salvia)物种多样性产生和维持过程中的作用和特点, 本文研究了浙江天目山同域分布的舌瓣鼠尾草(S. liguliloba)和南丹参(S. bowleyana)的开花、传粉和生殖隔离, 利用人工授粉和杂交实验检测它们的种间遗传相容程度。结果表明, 在花的形态结构、花及花序的生长、着生方式与数量特征上, 2种鼠尾草属植物均差异显著(P < 0.05)。2种鼠尾草属植物共享同一种有效传粉昆虫——三条熊蜂(Bombus trifasciatus), 但通过访花行为的显著差异和明显不同的花粉落置部位, 有效避免了异源花粉干扰。人工杂交授粉的结果表明2个物种间遗传相容性较高, 互为亲本的杂交结实率分别达到77.8 ± 10.7%和78.7 ± 11.2%。我们的研究表明, 同域分布、花期重叠且共享唯一传粉者的2种鼠尾草属植物, 以花部的传粉结构和传粉部位的差异, 产生了较高程度的传粉前生殖隔离, 避免了物种间的异源花粉干扰和自然杂交, 保障各自较高的繁殖成效, 以维持自然种群的多样性和遗传结构的稳定。

生殖隔离是物种形成的关键, 也是物种保持完整性和独立性的基础。报春苣苔属(Primulina)是我国苦苣苔科中最大的属, 具有极为丰富的物种多样性。大部分报春苣苔属植物为喀斯特地区特有植物, 近缘种的同域分布也相当普遍。为更好地理解该属植物的物种多样性形成及维持机制, 我们选取了牛耳朵(P. eburnea)和马坝报春苣苔(P. mabaensis)的同域种群, 分析了授粉后的多种隔离机制强度, 主要包括花粉竞争、坐果率、种子重量、种子萌发率、花粉活力。结果显示, 牛耳朵和马坝报春苣苔的授粉后总隔离强度都较弱(0.09 vs. 0.13), 其中花粉竞争及种子萌发率的隔离强度为负值, 对物种间基因流发生起促进作用; 而坐果率、种子重量以及花粉活力的隔离强度均为正值, 表现为对种间基因流起阻止作用。牛耳朵和马坝报春苣苔较弱的授粉后隔离机制不足以完全阻止物种间杂交、保持物种独立性, 但野外较少存在自然杂交个体暗示着两者可能存在较强的授粉前隔离机制。

铁角蕨科植物约800种, 广布世界各地, 主产热带和亚热带地区。本文统计了铁角蕨科188种植物的细胞学资料, 发现167种植物具有多倍化现象, 占总种数的88.8%, 表明该类群植物中普遍存在多倍化事件。具有多倍化现象的物种中, 90种只有1种细胞型, 占总种数的47.9%; 77种具有种内多倍性, 即种下存在多个细胞型组合, 占总种数的41.0%。多倍体细胞倍性极其丰富, 有三倍体、四倍体、六倍体、八倍体、十倍体、十二倍体以及十六倍体。本文还对铁角蕨科多倍化现象与其物种多样性形成的关系进行了讨论, 同时对铁角蕨科多倍化研究中存在的问题进行了探讨。

中国西南地区是世界杜鹃属(Rhododendron)植物的分布和分化中心, 开展杜鹃属自然杂交研究可为分类修订和新品种选育提供依据。本文以贵州百里杜鹃自然保护区(百里保护区)和云南石宝山分布的大白杜鹃(Rhododendron decorum)、马缨杜鹃(R. delavayi)及两种间疑似自然杂交后代和人工杂交后代个体为研究材料, 通过形态特征比较、核基因间隔序列ITS以及叶绿体基因片段trnL-trnF、rbcL和trnH-psbA测序特征分析, 发现疑似自然杂交后代与人工杂交后代形态特征介于大白杜鹃与马缨杜鹃之间; 4个DNA片段序列均能区分大白杜鹃和马缨杜鹃, 同一物种的不同居群在叶绿体基因片段rbcL、trnH-psbA序列存在差异位点; 所有人工杂交后代个体和1个石宝山疑似杂交个体均以大白杜鹃为母本, 所有百里保护区疑似杂交个体和6个石宝山疑似杂交个体以马缨杜鹃为母本。本研究证实了大白杜鹃与马缨杜鹃在百里保护区和云南石宝山存在自然杂交现象, 杂交为双向且自然杂交后代绝大多数以马缨杜鹃为母本。

自然杂交既可以在物种形成、遗传交换和适应性进化方面发挥重要作用, 也可以造成稀有种的下降甚至灭绝以及超级入侵种的产生。涉及到稀有种的自然杂交研究可以为稀有种的保护提供重要的信息。紫毛野牡丹(Melastoma penicillatum)和枝毛野牡丹(M. dendrisetosum)是野牡丹属的两个海南特有种, 其中枝毛野牡丹已处于濒危状态。我们的野外调查和形态观察发现, 海南吊罗山存在紫毛野牡丹和野牡丹(M. candidum)以及枝毛野牡丹和毛菍(M. sanguineum)的嫌疑杂种个体。本研究测定并分析了这些嫌疑杂种及其嫌疑亲本的4个核基因和5个叶绿体基因间隔区序列, 发现嫌疑杂种个体在嫌疑亲本物种的固定替换位点上均为嫌疑亲本物种碱基的杂合状态, 单倍型网络分析表明所有嫌疑杂种个体在每个核基因上均具有来自两个嫌疑亲本的等位基因, 证实了紫毛野牡丹和野牡丹, 以及枝毛野牡丹和毛菍之间确实存在自然杂交。另外, 相对于其他野牡丹属物种, 枝毛野牡丹具有极低的遗传多样性。因为紫毛野牡丹和野牡丹、枝毛野牡丹和毛菍之间均存在很强的生态隔离, 所以因公路修建而造成的生境干扰可能造成了这两个杂交事件的发生。因此避免生境干扰是保护这两个海南特有种最关键的手段。除此之外, 在实验室条件下进行种子萌发或枝条扦插繁殖, 然后将幼苗种植到合适生境中是扩大种群的另一个可行方法。

自然杂交是进化生物学研究中的热点, 而杂交方向则是理解自然杂交和生殖隔离机制的一个关键环节。偏花报春(Primula secundifora)和海仙报春(P. poissonii)在横断山区重叠分布且存在自然杂交现象, 研究仅证实了种间杂交的发生, 但对不同地域的这2个物种间的杂交方向并未开展深入研究。本研究选取偏花报春和海仙报春3个同域分布点的居群, 利用双亲遗传的核转录间隔区ITS和母系遗传的叶绿体片段trnH-psbA构建系统树, 检测了3个居群中的自然杂交以及杂交方向; 通过人工授粉实验检测种内种间杂交以及不同物种作为母本时对结籽数的影响水平。DNA分子标记结果显示每个居群中的杂交方向都是不对称的, 海仙报春更容易在杂交中作为母本。人工授粉的结果表明种内种间交配以及哪个种作为母本对结籽数有非常显著的影响。海仙报春作为母本时能够显著提高结籽数。这2个物种之间不同的生殖隔离强度可能是造成不对称杂交的原因。3个居群中都是以海仙报春更易作母本, 可能是因为这3个地点的种间生殖隔离具有相似的机制。

自然杂交在植物界中十分普遍, 一直是物种形成和进化研究的热点。秋海棠属(Begonia)为世界最大植物属之一, 其种类繁多, 但关于自然杂交的相关报道很少。系统调查秋海棠属的自然杂交不仅有利于理解该属植物的多样性, 也是弄清其资源和解决物种分类问题不可缺少的环节。本文通过对国产秋海棠属植物自然杂交现象的系统调查和分析, 发现总计29种(占国产已知200种秋海棠的约15%)参与了杂交, 产生了31个自然“杂种”约50个居群。其中, 掌叶秋海棠(B. hemsleyana)和粗喙秋海棠(B. longifolia)参与杂交程度最高, 分别与另外的8种和7种秋海棠发生了杂交; 而裂叶秋海棠(B. palmata)发生杂交的居群最多, 达16处。自然杂交以云南(尤其是南部)发生频率最高, 一共有20种参与, 产生了31处杂交居群; 台湾和广西次之。杂交多为单向发生, 个体以F₁代个体为主, 尚未脱离亲本独立成种。野外传粉生物学初步观察发现: 秋海棠的主要访花昆虫为食蚜蝇类, 其次是蜜蜂科, 但各自传粉特点及效率尚待进一步研究。杂种及疑似亲本的鉴定可通过形态学、分子生物学和人工重复杂交等综合方法实现。杂种的基因组大小(C值)等于或接近两亲本的平均值, 误差通常小于10%, 有助于辅助鉴定杂种及亲本。我们总结后认为杂交发生及杂种形成必须满足5个条件: (1)重叠或邻近分布; (2)花期相遇; (3)有效传粉媒介; (4)杂交亲和; (5)适宜种子萌发幼苗生长的小生境及气候条件。据此, 我们预测了国产秋海棠属未来可能发生的约40个新杂交组合的可能亲本及地点。到目前为止, 尽管所有已知的秋海棠杂种尚未形成真正的新物种, 但是, 为了满足科学研究及实践交流的需要, 建议按照新分类群发表的严格要求, 将“杂种”逐一开展调查研究并整理发表, 并将其作为物种进化过程中的一个特殊分类单元对待。鉴于秋海棠属的杂种个体稀少且并未对亲本构成威胁, 反而在一定程度上增加了类群的多样性, 并为优良观赏品种的直接选育创造了机会, 因此, 国产秋海棠属种类丰富及杂种区应为就地保护的优先考虑范围之一。同时, 鉴于秋海棠属杂交亲和性高, 迁地保护栽培时应增大花期重叠种类的种植间距, 避免发生自然杂交。

植物由水生走向陆生的进化过程中经历了非常复杂的演化, 期间产生的大量基因的进化路线可能互不相同, 因此仅仅使用系统发育树无法呈现真实的演化关系。系统发育网络图能够清楚地展示包括垂直演化和水平演化在内的复杂网状进化关系。本文选取莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)和4种陆生植物, 利用系统基因组学的方法, 筛选得到1,668个一对一直系同源基因, 重新构建了陆生植物的系统发育网状进化关系。结果发现, 使用不同的分析策略所得到的系统发育树不同; 对1,668个基因单独分析, 发现存在15种不同的拓扑结构; 对5个物种筛选得到的直系同源基因进行系统发育网络分析显示, 在非常稳健的系统发育网络图中, 仅仅5个物种就存在9个不同的分离支, 暗示着非常复杂的网状进化关系; 而且藻类植物与苔藓植物和石松类植物的分离支之间差异很小, 这可能是产生系统发育树冲突的原因之一, 也暗示着早期陆生植物发生了复杂的辐射演化。

物种之间的杂交事件在自然界中时常发生, 虽然大部分自然杂交会成为进化的盲端而被淘汰, 但仍有一部分自然杂交在物种形成过程中起到很重要的作用。随着对自然杂交认识的深入, 人们对其是否具有保护价值存在着较大的争议。本文从遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性三个方面综述了自然杂交在物种进化和生态系统中的作用, 认为并不是所有杂交都存在着物种逆转的危险, 一些杂交事件可以增加生物多样性, 提高物种的环境适应性。同时, 我们结合近年来自然杂交的研究案例, 提出自然杂交的保护原则: 对父母本没有威胁, 同时有助于提高生物多样性和环境适应性的自然杂交应该予以保护。希望该建议为国家制定物种保护法律法规和编制红色名录提供参考。