Origin and Phylogeny of Rye

Jie Zhang ^1,2　Jianhui Li ^1,2*　Chuchu Liu ^1,2　Renxiang Cai ^1,2*

1 Institute of Life Science, Jiyang College of Zhejiang A&F University, Zhuji, 311800, China; 2 Cuixi Academy of Biotechnology, Zhuji, 311800, China

* Corresponding author, Garen@cuixi.org, cairenxiang@cuixi.org

Abstract　Rye is a cereal crop belonging to Genus Secale of the family of Gramineae with the Latin name as Secale cereale L., which is a staple ingredient in bread for European people, especially in the middle ages. But there is no strong evidence for the origin and phylogeny of rye. Recently, Bielefeld University, Germany, analyzed 726 samples from 139 cultivars of different cultivars, local varieties, weedy rye and wild rye populations from 45 different countries using single sequence repeat (SSRs) and the sequence diversity of nuclear expression sequence marker (EST) regions. The results showed that compared with the cultivated rye populations in other parts of the world, the cultivated rye populations in the Middle East had the highest genetic diversity, indicating that the Middle East in southwest Asia was the origin center of rye. The Secale species could be divided into three different clusters based on the STRUCTURE analysis of SSR loci.Based on UPGMA tree analysis, s. strictum was found to be the ancestor of Secale species.It is obvious that the origin and phylogeny of rye have achieved stage results.

Keywords　Rye, Secale, Origin, Phylogeny

黑麦(Secale cereale L.)是禾本科(Gramineae)小麦族(Triticeae Dumort)黑麦属(Secale)成员，因其耐贫瘠又耐寒，被驯化后迅速传播到东欧和北欧，到罗马帝国的时代，黑麦在欧洲很多不适宜种植小麦的地方成了主要的粮食作物，等到了中世纪已经取代了大麦成为欧洲的第二大谷物，大多被用来做成日常的主食——面包。当前黑麦主要分布于东欧、中欧和北欧，主要黑麦种植带从德国北部经波兰、乌克兰、白俄罗斯、立陶宛和拉脱维亚进入俄罗斯中部和北部。而世界其他地方如北美(加拿大和美国)、南美(阿根廷、巴西和智利)、大洋洲(澳大利亚和新西兰)、土耳其、哈萨克斯坦和中国北方均有零散分布。

黑麦属(Secale)与大麦属(Hordeum)和小麦属(Triticum)有着紧密的联系。黑麦属是一个小型但具有重要经济价值的属，包括栽培品种如黑麦(Secale cereale)，以及杂草黑麦和野生黑麦品种，有一年生、多年生、自交不亲和或自交、栽培、杂草和野生分类群(Vences et al., 1987)。常见的黑麦属物种有一年生的Secale cereale (S. cereal)，Secale vavilovii (S. vavilovii)，和Secale sylvestre (S. sylvestre)，多年生的Secale strictum (S. strictum)。S. cereal包括栽培黑麦和其他杂草黑麦品种，作为一种谷物和饲料作物，是黑麦属中最著名的品种。S. strictum是一个包括明显地理隔离的群体，S. vavilovii则是黑麦属最与众不同的一种，因为它较早地从该属的其他物种中分离出来。

1起源

黑麦是土耳其中部和东部以及邻近地区野生生长的物种之一，驯化黑麦最早可能出现在土耳其(小亚细亚)的一些新石器时代遗址中，如新石器时代的B Can Hasan III，靠近恰塔霍裕克，但是考古记录中却未发现，直到中欧的青铜时代，约公元前1 800~1 500年(Zohary et al., 2012)。中世纪以来，人们在中欧和东欧广泛种植黑麦，在法德边界以东和匈牙利北部的大部分地区，它是主要的面包谷类。

栽培黑麦的确切地理中心尚不清楚，但亚洲西南部最有可能成为原产地(Sencer and Hawke; Zohary and Hopf, 2000)。尽管在莱茵河、多瑙河、爱尔兰和英国就发现了古罗马时期种植这种谷物的考古证据(Gyulai et al., 2014)。

Vavilov (1926)提出，种间和种内水平的作物物种的遗传多样性分布不均匀，在起源中心的作物遗传多样性较高。基于这一假设，最新的研究发现，与世界其它地方栽培黑麦种群相比，来自亚洲西南部中东地区的地方栽培黑麦种群具有最高的遗传多样性，进一步支持该地区是栽培黑麦的起源中心(Maraci et al., 2018)。这与所有Secale分类群起源于中东或中南亚(Sencer and Hawkes, 1980; Zohary and Hopf, 2000)的想法一致，该分类也涵盖了被称为“新月沃地”的地理区域，这是许多作物物种如小麦、大麦、豆类、豌豆和亚麻的起源中心(Zohary and Hopf, 2000)。

2系统发育与遗传结构

虽然自20世纪以来全世界的栽培黑麦产量有所下降，但它一直是北欧和中欧的重要作物，尤其是不适合种植其他谷物较冷的地区(Grabowski, 2011)。黑麦因具有异花授粉的生殖系统，其种内多样性水平比自花授粉的谷类作物要高(Schlegel, 2006)。虽然栽培品种中的谷类黑麦，由于强烈的选择压力，已经遇到广泛的遗传瓶颈(Targońska et al., 2016)。但是与其它谷类作物一样，地方品种(Matos et al., 2001; Gailīte et al., 2013)和野生及杂草型品种(Burger et al., 2006; Jenabi et al., 2011)保持了相当比例的遗传多样性，此外，这些种群可能包含某些潜在的有用特征，如对疾病的抵抗力，对生物和非生物胁迫的适应性(Schlegel, 2013; Santos et al., 2017)。

考虑到野生型和杂草型黑麦可能与栽培黑麦杂交(Broda et al., 2016)，这些分类群，可作为小麦、小黑麦等作物新的生态位和未来育种计划的遗传资源库。因此，了解黑麦属的遗传结构和属内遗传多样性的分布是非常重要的。

以往的研究发现黑麦一年生物种形态之间没有明显的分类学结构差异(Frederiksen and Petersen, 1997; Hagenblad et al., 2016)，同样也缺乏分子水平上的差异(Hammer, 1990; Bustos and Jouve 2002; Shang et al., 2006; Ren et al., 2011)。一年生黑麦野生型、杂草型与栽培亚种S. cereale subsp cereale之间的遗传相似性支持黑麦的起源相对较晚的假设，仅仅可追溯到几个世纪前(Vavilov, 1917)。栽培黑麦、野生型和杂草型之间可能没有足够的时间进化出隔离机制或屏障，但是一年生类群之间缺乏结构差异可以用同一地区的栽培黑麦、野生型和杂草型之间的基因渗透来解释。因此，亚种之间的形态差异不能用遗传分化来解释，这表明在亚种水平上不存在分类学边界。除了S. sylvestre以及人工杂交获得的具有高花粉和种子数量的杂种之外，不同类群之间的杂交在Secale属中非常常见(Khush and Stebbins, 1961; Khush, 1962; 1963a;1963b)。

最新的研究发现，一年生黑麦不同类群之间的分类是基于地理来源，而不是分类学标识。Maraci等(2018)共调查了来自45个不同国家的139种不同栽培品种、地方品种、杂草型黑麦和野生型黑麦种群共726个样品，利用单序列重复(SSRs)和核表达序列标记(EST)区域的序列多样性分析，对野生型黑麦、杂草型黑麦、地方品种黑麦和栽培黑麦品种进行了研究。与其他作物如高粱(CuevasandProm, 2013)和玉米(Liu et al., 2003)相比，全球范围内的Secale遗传多样性相对较高，这可能是由于Secale中许多物种的异交性及其风媒传粉繁殖所致；Secale相对遗传多样性随着种植状况的变化而变化：在野生种质中观察到最高的多样性，其次是杂草品种和地方品种，而在栽培品种中最低(Maraci et al., 2018)。此外，野生和地方种群具有在栽培基因库中未检测到的私有等位基因，表明这些形式提供了更丰富的等位基因来源，并且具有很高的作物改良潜力(Maraci et al., 2018)。

研究人员通过对721份材料中98个等位基因在7个SSR位点的分布进行STRUCTURE分析，发现Secale存在三个不同的聚类(图1)，表明存在三个不同的基因库:(1)25个多年生S. strictum subsp. strictum和1个S. strictum subsp. Anatolicum，其中20个样品来自伊朗，其余样品来自中东其他地区(图2A)；(2)总共包括222个一年生S. cereale样本，其中有202个S. cereale subsp. Cereale，13个S. cereale subsp. Segetale，6个S. cereale subsp. ancestrale，1个S. cereale subsp. afghanicum，这些样本大部分(71.17%)来源于亚洲(中东和中南亚)的一年生类群(图2B)；(3)由66个一年生S. cereale subsp. cereale和3个一年生S. vavilovi样本组成，其中大部分(86.4%)来自亚洲和中东(图2C) (Maraci et al., 2018)。多年生S. strictum与一年生形态的明显分离已有文献(Bustos and Jouve, 2002; Chikmawati et al., 2005; Hagenblad et al., 2016)，这可能是由于生活史特征(如繁殖时间等)的差异，一年生和多年生类群间的基因流动受限所致。此外，Hagenblad等(2016)也表明，一年生类群之间存在明显的地理聚类现象，可能是由于地理隔离导致基因流动的限制。

图 1 K=2到K=5时的STRUCTURE结果(摘自(Maraci et al., 2018)) Figure 1 STRUCTURE results at K = 2 to K = 5 (Adopted from Maraci et al., 2018)

图 2 不同聚类的样本分布(摘自(Maraci et al., 2018)) 注: (A): 样本在第1组的分布情况; (B): 样本在第2组的分布情况; (C): 样本在第3组的分布情况; 用Tableau Public Software制作 Figure 2 sample distribution of different clusters (Adopted from Maraci et al., 2018) Note: (A): Distribution of samples in cluster 1; (B): Distribution of samples in cluster 2; (C): Distribution of samples in cluster3; This figure produced using Tableau Public Software

研究人员进一步利用S. cereale亚种、S. strictum亚种、S. vavilovii和S. sylvestre构建UPGMA树形图，发现S. sylvestre与其余黑麦属物种的明显分离，S. cereale subsp. afghanicum与S. cereale和S. strictum的亚种分离，S. cereale subsp. Ancestrale和S. strictum subsp. kuprijanovii同样也在树形图相对基础位置与其他剩余亚种分开(图3A)。S. cereale subsp. cereale，S. cereale subsp. segetale，S. vavilovii，S. strictum subsp. anatolicum和S. strtictum subsp. strictum则构成一个群体，S. cereale subsp. cereale和S. cereale subsp. segatale与S. vavilovii的亲缘关系较近，而不是同种个体S. cereale subsp. afghanicum和S. cereale subsp. ancestrale(图3A) (Maraci et al., 2018)。

正如STRUCTURE分析表明， S. strictum subsp. strictu样本与其它样本存在明显的分离，且大部分样本来自伊朗地区。因此将来自伊朗的S. strictum subsp. strictu样本单独分组(S. strictum subsp. strictum clade 1)，来自伊朗以外地区的S. strictum subsp. strictu样本同样单独分组(S. strictum subsp. strictum clade 2)，重新构建UPGMA树形图。结果发现除了S. strictum subsp. strictum clade 2存在明显的分歧，两个树形图都反映了几乎相同的拓扑结构(图3A, 图3B) (Maraci et al., 2018)。

图 3 UPGMA树形图显示了基于成对DA的Secale物种系统发育关系(摘自(Maraci et al., 2018)) 注: (A): UPGMA 树形图I; (B): UPGMA 树形图 II Figure 3 UPGMA dendograms showing the phylogenetic relationship of Secale species based on pairwise DA (Adopted from Maraci et al., 2018) Note: (A): UPGMA dendogram I; (B): UPGMA dendogram II

3栽培黑麦祖先

早先关于栽培黑麦祖先的研究存在较大的争议，Vavilov(1926)、Zohary和Hopf(2000)认为S vavilovii是栽培黑麦的祖先，Zhukovsky (1933)则认为S. ancestrale是栽培黑麦的祖先，S. strictum也被认为是栽培黑麦的祖先(Khush et al., 1961)。最近分子研究发现S. sylvestre，S. strictum和S. vavilovii为黑麦属的三种物种代表(Shang et al., 2006; Ren et al., 2011; Hagenblad et al., 2016)。

关于多年生S. strictum有一个普遍的共识，分子研究表明其为栽培黑麦的祖先(Ren et al., 2011; Hagenblad et al., 2016)。前人的研究已经证明S. strictum subsp. strictum与其亚种之间存在显著差异(Hammer, 1990; Cuadrado and Jouve, 2002; Shang et al., 2006; Ren et al., 2011)，表明其进化已经独立于其他S. strictum亚种(Achrem et al., 2014)。

Maraci等(2018)研究发现来自伊朗西北部和西部的S. strictum subsp. Strictum与其他地区的S. strictum种质不同，而在UPGMA树状图中(图3)，与其它S. strictum subsp. Strictum相比较，观察到这一组的祖先位置，同样，树状图也显示来自伊朗进化枝以外的S. strictum subsp. Strictum种质在遗传学上更接近于S. cereale。这与栽培黑麦从S. strictum进化而来的假设是一致的(Vavilov, 1917; Vavilov, 1926; Khush et al., 1961)。此外，在基于微卫星数据构建的树状图中(图3B)，发现与来自伊朗地区的S. strictum subsp. Kuprijanovii和S. strictum subsp. Strictum种质相比，来自伊朗以外地区的S. strictum subsp. anatolicum和S. strictum subsp. Strictum种质接近S. cereale亚种，这表明来自伊朗以外地区的S. cereale亚种和S. strictum亚种之间存在基因流动(Maraci et al., 2018)。

来自伊朗的S. strictum subsp. strictum样本是其他S. strictum亚种和除了S. cereale subsp. afghanicum和S. sylvestre所有一年生类群的基础进化枝(Maraci et al., 2018)。这一发现也与之前的研究一致，表明S. strictum是Secale中最古老的物种，是其他类群的祖先(Khush and Stebbins, 1961; Khush et al., 1962; Zohary, 1971; Jones and Flavell, 1982; Vences et al., 1987; Maraci et al., 2018)。这一发现再次支持了即土耳其东北部和邻近地区包括亚美尼亚和伊朗西北部可能是Secale的起源中心(Sencer and Hawkes, 1980; Zohary and Hopf, 2000)。

作者贡献

张洁负责文献收集、初稿写作，黎建辉负责论文构思、稿件修改和最终定稿；刘楚楚负责稿件的英文翻译及修改和校对；蔡仁祥进行论文修改。全体作者都阅读并同意最终的文本。

致谢

本研究由诸暨市翠溪生物技术研究院《翠溪创新研发项目基金》资助。海南省热带农业资源研究所方宣钧博士对论文收稿进行了深入细致的审读和有益的建议，作者在此深表感谢。

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