综述：离体种子供体的“分子护照”：为植物保护提供更强大的遗传监测手段

《Molecular Ecology》：Molecular Passports for Ex Situ Seed Donors: Enhanced Genetic Monitoring for Plant Conservation

　　摘要

为了维持进化潜力，必须保护遗传多样性——这是自然选择作用的原材料。因此，异地种子收藏库仍然是遗传多样性的宝贵资源。然而，关于这些收藏库在多大程度上能够真正保存遗传多样性，仍存在疑问。分子护照（从个体中提取的遗传记录）和地理参考的母本种子供体信息可以补充异地种子收藏库中传统的护照数据。分子护照为关注物种的种子供体提供了标准化的遗传监测手段，有助于识别保护工作中的不足，从而优化与扩大保护工作相关的资源分配。与种子供体群体相关的分子护照能够追踪影响现有遗传变异的人口统计、中性和非中性进化过程，量化用于保护决策的遗传指标，并识别对保护工作至关重要的分类学身份信息。最终，分子护照可以提高我们监测和有效保护濒危物种遗传变异的能力，将静态资源转化为可操作的决策工具。在快速变化的世界中，保护工作需要保留进化潜力，以确保物种或种群能够适应环境变化（Aitken等人，2024年）。这种适应和进化的能力与种群内部和种群间的遗传变异的数量和分布密切相关。因此，作为自然选择基础的遗传变异的保护对于维持进化潜力至关重要。随着越来越多地强调将遗传数据整合到保护政策中，并明确建议将遗传多样性指标纳入《昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架》，新的进展正在将遗传数据纳入物种和种群保护管理计划中（Hoban等人，2022年；Robuchon等人，2023年；Schmidt等人，2023年）。然而，对于关注物种而言，一个关键目标是制定策略，以优化进化潜力的保护以及种群内部和种群间的遗传变异的维持（Hoban等人，2024年；Theissinger等人，2023年）。异地种子收藏库通常用于保存具有农艺价值的植物物种、它们的野生亲缘种以及关键保护物种的遗传多样性，为这些物种和种群在其原产地范围之外提供保护途径。这些收藏库旨在确保保存遗传多样化的、带有地理参考的种质资源，从而保护单个植物物种和种群的进化潜力（Di Santo和Hamilton，2021年）。在后基因组时代，许多农艺物种的种质资源已经实现了数字化转变，因为区域性和全球性的种子收藏库中的样本被测序，并评估了收藏库内部和之间的遗传变异（Aubry，2023年；Varshney等人，2021年）。一些国家和国际性的倡议专注于描述收藏库中保存的农艺品种、培育品种和野生亲缘种的基因型多样性（McCouch等人，2012年；Milner等人，2019年；Schulthess等人，2022年；Wu等人，2019年）。这些项目开发了综合方法，将来自收藏库的遗传发现纳入基因组辅助育种平台，优化基因库等位基因多样性在培育耐逆境品种或提高营养价值品种中的应用（McCouch，2013年；Varshney等人，2021年）。大多数作为基因库保存的作物物种，包括水稻（Varshney等人，2021年）、大麦、小麦（Schulthess等人，2022年）等，都将高通量基因分型与理想性状的表型分析相结合，并应用遗传关联和基因组预测来实现目标结果。这样，管理数千份样本的农业基因库在以应用为导向的框架中利用遗传发现，其中基因组数据支持植物育种、性状发现、样本管理和冗余检测（Sansaloni等人，2020年；Yuan等人，2024年）。结合基因分型技术的进步、测序成本的降低、参考基因组的可用性以及促进基因型到表型推断的中央数据存储库，这确保了农艺物种收藏库中每个样本的遗传谱型成为宝贵的、持久的育种前资源。尽管在量化具有经济价值的农艺物种收藏库中保存的遗传多样性方面取得了显著进展，但这些实践在关注物种的保护方面仍有限。当主要任务是保护濒危物种时，异地种子收藏库往往相对有限。鉴于此，关于现有保护收藏库在多大程度上能够捕捉到维持物种进化潜力所需的遗传变异，仍存在疑问（Braasch等人，2021年；Bragg等人，2022年；Di Santo和Hamilton，2021年；Gargiulo等人，2025年）。对于那些单个或种群灭绝可能导致遗传多样性不可逆损失的关注物种来说，这个问题尤为紧迫（Des Roches等人，2021年；Gargiulo等人，2025年）。有必要将异地种子收藏库中的传统来源和分类数据与种子供体的遗传数据结合起来，以评估影响濒危物种遗传多样性的原地人口统计和进化过程。可以使用亲本种子供体创建所需的遗传记录或分子护照，以量化保存在植物收藏库中种群内部和种群间的遗传变异（图1）。然后可以高效利用这些数据来指导物种管理和扩展保护工作，从而优化进化潜力的保护（Linan等人，2024年；Melton等人，2025年）。

图1：异地种子收藏库相关的传统护照数据通常包括起源地和分类学身份信息，这些信息可以用于多种用途，包括解决系统发育或谱系地理学问题（灰色气泡）。然而，要理解塑造种子收藏库内遗传多样性的进化过程，需要评估种子供体本身内部的遗传多样性。通过使用叶片从每个种群中的多个种子供体中提取DNA并对个体进行基因分型（根据测序方法，每个种群至少4-6个个体），所得到的遗传数据反映了原地的进化累积结果。每个测序的种子供体都会生成一个分子护照，即代表在种群内部和种群间采样的单个种子供体的现有遗传变异的地理参考遗传记录。来自每个种群中多个种子供体的分子护照可以共同用于描述塑造现有遗传变异的空间明确的中性和适应性进化过程。除了系统发育和谱系地理学（灰色气泡）之外，这可能还包括种群遗传结构的评估、基于距离的隔离度、范围广泛的遗传多样性估计（π）、亲缘关系估计（FIS）或有效种群大小（Ne）、当前和预测的未来基因型-环境关联的量化等（粉色气泡）。最终，分子护照中保存的数据可以直接应用于物种管理、恢复和保护政策决策。

1. 使用分子护照进行遗传监测

传统上，与异地种子收藏库相关的护照数据描述了种质的地理起源或来源地以及个体的分类学信息，主要基于形态学特征（图1）（Mascher等人，2019年）。最近，在许多具有农艺价值的物种中，分子护照创建了一种生物数字资源，用遗传数据和表型数据补充、验证和扩展传统护照信息，作为育种前的资源（Mascher等人，2024年；Milner等人，2019年；Weise等人，2020年）。分子护照在单个母本种子供体层面进行维护，记录了异地种子供体内部和之间的自然遗传变异，有效地描述了样本母系谱系中的遗传变异。使用从母本异地种子供体收集的叶片中提取的DNA，生成分子护照，作为单个地理参考的、开放授粉种子供体的遗传记录，其后代被异地保存（图1）。保存种子供体的遗传谱型与保存种子本身一样有价值，因为虽然两者都是自然选择的产物，但它们代表了物种进化和人口统计历史中的不同时间点。母本种子供体的遗传组成反映了野生环境中自然选择的累积效应以及影响个体在原生环境中生存和繁殖的人口统计因素（图2）。这与异地种子收藏库中代表的遗传组成形成对比，后者代表了某个收藏库在时间和空间上的快照，其遗传变异可能受到与收集实践、管理或储存相关的人为因素的影响（Espeland等人，2017年）。通过自然选择在原生环境中保存的种子植物的遗传变异与可能受到种子收集和储存相关的人为选择影响的变异之间的差异虽然微妙，但对遗传多样性的保护至关重要。通过这种方式，来自每个种群中多个异地种子供体的遗传数据提供了理解自然选择和历史人口统计过程如何塑造野生环境中现有遗传变异的机会，并认识到异地收藏库中保存的遗传变异可能无法完全捕捉影响自然种群的进化动态。创建这些数据可以直接应用于保护收藏库的维护和扩展、新育种计划的设计以及与物种保护和灭绝风险相关的决策。

图2：分子护照代表了从地理参考的种子供体中提取的遗传记录，以补充异地种子收藏库中维护的传统数据。与母本植物ID相关的标准化来源或起源数据将包括物种、收集日期、收集地点、收集者以及每个地点收集的个体数量。每个母本植物的身份信息将与异地种子收藏库中的后代一起保存，这些后代可能在不同的条件下储存、测试其存活能力或发芽概率，或用于评估不同环境条件下的表型特征。对于母本植物，分子护照中保存的标准化遗传数据将包括测序方法、遗传标记类型、数据存储库以及相关的遗传样本，如果进行了测序，可能还包括同种群的种群或后代成员。与物种分布中的同种采样关联确保遗传数据可以与同种个体关联，以量化收藏库中代表的范围比例。最后，分子护照和储存的异地种子都将受益于与起源地气候的关联，这是根据收集地点的纬度、经度和海拔计算得出的。这确保了与收集期间来源地气候相关的遗传数据可以用于使用各种全球环流模型预测未来气候。随着技术突破和创建及管理下一代测序数据的成本降低，为濒危物种创建分子护照的数字存储库变得越来越可行（图2）（Linan等人，2024年；Mascher等人，2024年；Melton等人，2025年）。通过分子护照保存的遗传数据可以描述空间明确的中性和适应性遗传变异模式，直接用于物种管理和保护政策（图1）。分子护照的优势在于它可以（i）评估可能塑造现有遗传变异的微进化过程，（ii）模拟可能影响人口统计变化的因素，以及（iii）量化当前和预测未来的基因型-环境关联（Aitken等人，2024年；Bragg等人，2022年；Mascher等人，2024年，2019年；Melton等人，2025年；Rellstab等人，2015年）（图1）。遗传变异的评估可能包括预期杂合度（He）、遗传亲缘关系或近交系数（FIS）的个体估计，以指示异地种群内部和之间的遗传变异分布。收藏库内的亲缘关系分析可以作为设计圈养育种计划的基线数据（Linan等人，2024年）。特定种群的核苷酸多样性（π）或Watterson的θ的估计可以用来评估种群建立后选择或人口统计过程对现有遗传变异的贡献（Braasch等人，2021年；Melton等人，2025年）。《生物多样性公约》的《昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架》建议使用有效种群大小（Ne）作为指标，该指标结合了对影响濒危物种灭绝风险的进化过程的评估（McLaughlin等人，2025年）。从收藏库中维护的遗传数据还可以用于人口统计推断，以模拟有效种群大小随时间的变化，同时估计基因流的速度和方向可能对种群遗传结构产生的影响（Bolte等人，2024年；Di Santo等人，2022年）。量化种群遗传结构可以识别可能影响生态型变异的遗传簇，从而为保护优先事项提供信息。这些数据可以一起用来比较中性和非中性过程如何促进种群间遗传差异的进化（Di Santo等人，2022年；Hamilton和Eckert，2007年）。基因型-环境关系的评估可以用来推断当前所需的气候适应规模和程度，以便为未来的辅助基因流或气候辅助种子来源提供信息，前提是该物种分布范围内的种群拥有分子护照数据（Aitken和Whitlock 2013；Rellstab等人2015；Schiebelhut等人2023）。最后，分子护照可以补充不完整的记录，或者在仅凭表型或来源信息无法确定分类学归属时提供帮助（Milner等人2019）。通过这种方式，利用分子护照进行基因型特征描述可以提高传统护照数据的可靠性和准确性（Singh等人2019）。科学界的广泛建议提倡将遗传变异纳入保护评估和物种管理计划中，包括国际自然保护联盟（IUCN）的红名单评估（Hoban等人2024；McLaughlin等人2025）。为异地收藏创建分子护照将直接有助于扩展对濒危物种的遗传数据的应用，从而直接应用于物种管理（Mastretta-Yanes等人2024；McLaughlin等人2025；Rossetto等人2021）。最终，为濒危物种创建分子护照将（i）标准化量化和管理遗传多样性所需的现有协议；（ii）识别当前保护工作中的差距，以便协调和优化未来的收集工作；（iii）识别收藏中的重复项，确保有限的保护资源得到有效分配；（iv）利用遗传数据确认个体的分类学状态（Mascher等人2024；Milner等人2019；Theissinger等人2023）。这些数据将为跨物种的比较研究提供基础资源，并直接应用于物种保护计划。

2. 分子护照的考虑因素和局限性
尽管创建和广泛使用分子护照具有许多优势，但这些数据仍可能受到收藏规模和质量的限制，而这些因素的实施仍然耗时且成本高昂（Di Santo和Hamilton 2021）。群体遗传学总结统计、人口模型和基因型-环境关联将受到每个群体检测个体数量、采样群体数量以及收藏覆盖的物种分布范围比例的影响。最近的模拟研究表明，足够大的SNP数据集可以抵消小样本量可能带来的负面影响（Nazareno等人2017）。因此，高通量测序方法，如ddRAD-Seq或全基因组测序，最适合用于创建分子护照。在每个群体检测个体数量与群体多样性之间存在权衡时，最近的研究建议优先考虑多样性较高的群体，因为遗传多样性统计对每个群体检测个体数量的敏感度较低（Aguirre-Liguori等人2020）。此外，仅评估雌雄异株物种的母本种子捐赠者可能会使遗传结构产生偏差。然而，使用开放授粉的个体应该可以限制基于性别的潜在偏差。最后，许多种子库提倡按母本谱系追踪异地收藏（van der Merwe等人2023）。为种子捐赠者维护分子护照，并跟踪其后代，将提供机会将父系和亲缘关系估计纳入遗传多样性的评估中。对于具有混合交配系统的植物物种，这可能识别出区域性的亲缘关系变化，在这种情况下补充采样可能是相关的。生成基因组数据时的重要考虑因素包括数据的可重复性、特定物种或同种参考基因组的可用性、测序方法的选择以及解决保护优先问题所需的覆盖类型（Hogg 2024）。测序技术正在迅速发展，这可能会限制遗传数据的长期使用或互操作性。McLaughlin等人（2025）的最新建议强调了减少代表性测序或全基因组测序在遗传监测中的价值。对于非模式物种，如果无法进行全基因组重测序进行比较，创建一套标准化的ddRAD测序限制性酶，包括一种对甲基化敏感的酶，将有助于跨物种的有效比较，这对于分类学鉴定可能至关重要（Melton等人2025）。在农艺物种中进行的比较表明，通过基因分型测序和全基因组测序创建的遗传谱型之间存在强相关性，这表明可以有效地建立和应用减少代表性与全基因组矩阵之间的关系（Milner等人2019；Schulthess等人2022）。最近，遗传谱型分析的进步可能考虑超出核苷酸多样性的数据，包括与中间、参考或泛基因组组装对齐的结构多态性（Lind等人2025）。最终，确保更广泛社区遗传记录的空间和时间维护将取决于与采样相关的原始数据和元数据的管理是否符合FAIR数据原则（可发现、可访问、可互操作和可重用）（Crandall等人2023；Leigh等人2024）。新生成的基因组数据应使用标准化报告，包括每个物种的母本种子捐赠者群体的个体基因组谱型、在异地测序和保存的物种分布范围的比例估计，以及生成的序列数据类型和使用的基因组标记数量的记录（图2；McLaughlin等人2025）。为非模式物种创建标准化的基因组工作流程将具有挑战性，但它有可能彻底改变可用于保护关注物种的信息深度。最后，在创建分子护照时需要考虑的一个主要挑战是制定有效管理生物数字数据的指南（Mascher等人2024）。创建和管理的开放数据库，代表活体种子收藏及其相关遗传数据的档案，需要基于FAIR原则，以确保传统和分子护照之间的有效整合（Lind等人2025；Mascher等人2019）。一些工作流程已经存在，用于保存模型和非模型系统之间的遗传数据和个体来源数据之间的链接（例如，CartograPlant；Lind等人2025）。然而，还需要将传统护照数据与种子收集和个体母本种子捐赠者的遗传数据整合起来（图2）。实现这种整合将需要开发和长期维护能够管理多种数据类型的关系数据库。模块化、可扩展的框架，覆盖现有平台，并强调共享数据对象的实用性和数据类型演变的灵活性，将有助于确保这些系统始终符合FAIR标准，并且随着时间的推移具有可扩展性。随着数据的全球化以及将遗传数据整合到保护监测中的建议增加，这也可能需要不同平台之间的标准化报告，并将从创建唯一的数字对象标识符（DOI）中受益，以管理可能随遗传数据扩展而更新的种子和种子捐赠者信息（Lind等人2025）。在收藏中如果有遗传数据，可以直接将其整合到受关注物种的威胁（重新）评估中（McLaughlin等人2025）。来自农艺物种的越来越多的例子表明，区域、国家和国际合作伙伴关系为建立和管理保存和利用遗传数据所需的技术提供了途径（Halewood等人2018）。GGI-Gardens项目与全球基因组生物多样性网络合作，正在试点黄金标准方法，不仅在植物园内凭证和保存个体，还确保存在一个数字平台，可以将遗传数据与收藏中维护的元数据整合起来，以帮助发现和监测（Seberg等人2016）。在这种情况下，分子护照的价值可能不在于最大化基因组分辨率，而在于确保存储的材料捕获并保持遗传多样性，并优化群体或谱系之间的代表性，为保护和恢复计划提供决策支持工具（Cascini等人2025；Hogg 2024）。

3. 分子护照在保护管理和政策中的作用
保守的全球植物物种评估表明，39%的维管植物面临灭绝威胁，这表明迫切需要扩大现有的监测工作（Lughadha等人2020）。《全球植物保护战略》有明确的目标，即保护全球70%的作物、野生亲缘物种和其他具有社会经济价值的物种的遗传多样性（目标9），并在异地保护75%的已知受威胁植物物种，确保20%可用于恢复或恢复计划（目标8）（Sharrock 2020）。异地种子收藏仍然是保护植物遗传多样性和确保实现保护和恢复计划目标的关键策略，但标准化监测以评估收藏是否符合全球标准的做法仍然有限。与异地收藏相关的传统护照数据可以提供关于收藏中个体数量、群体数量以及物种分布范围比例的信息，如果地理和相关环境数据可用，这些数据类型可以用来量化保存的多样性（Di Santo和Hamilton 2021）。然而，随着越来越多的人认识到保护收藏缺乏维持进化潜力所需的足够种内遗传多样性，遗传数据提供了量化收藏是否包含实现全球目标所需遗传多样性的信息。在姐妹物种之间繁殖障碍较弱或仅凭形态学评估难以进行分类学鉴定时（Gargiulo等人2025），分子护照提供了准确识别所需物种的记录，以支持保护目标（Cascini等人2025）。分子护照可以直接用于IUCN红色名录定义的标准D（当前种群规模和限制）和标准E（野外灭绝概率）（McLaughlin等人2025）。这些数据将对有效设计和优先考虑未来工作至关重要，以确保濒危物种的遗传目标得到满足（Melton等人2025）。还有机会将这些数据与树木园或植物园内正在进行的全面基因组生物库活动（Seberg等人2016）、来源试验（Taylor等人2024；VanWallendael等人2022）等结合起来，为估算异地保存的遗传多样性提供基础。全球基因组生物多样性网络正在创建汇总遗传数据和收藏数据的方法，以促进发现和指导保护（Seberg等人2016）。对保存收藏的遗传监测将使我们能够确定动态变化景观中的区域，以针对额外的保护工作，确保这些数据补充现有的或正在进行的受关注物种的威胁评估。鉴于在快速变化的世界中日益需要主动保护，为异地保存的种子捐赠者创建分子护照可以利用越来越容易获取和负担得起的下一代测序数据。对异地保存的种子捐赠者进行标准化遗传监测可以用来量化当前是否实现了遗传目标，并为未来的政策和管理工作提供信息。这些数据可以用来分析不同人口统计和进化过程对遗传变异交换和维护的影响，以确保物种的进化潜力得到保护（Theissinger等人2023）。将遗传数据的常规收集与异地收藏相结合，可以弥合研究与物种管理之间的差距。创建分子护照将静态收藏转变为应用保护的活跃资产，确保保存的资源成为可操作的决策支持工具。

致谢
作者感谢Rush Dhillon在图形方面的专业知识，Hamilton实验室成员的建设性评论，以及编辑Joanna Freeland提供的友好匿名评审和有益的反馈与讨论。财务支持来自美国农业部国家食品和农业研究所（NIFA）的Hatch拨款（PEN04809，访问号7003639）和Schatz树木分子遗传学中心。