在动植物进化过程中，跨物种基因流，即渐渗（杂交），已被证实是一个普遍存在的自然现象。近年来，随着基因组数据的广泛应用和分析方法的进步，人们对基因渐渗的认识不断加深。其中，“幽灵基因渐渗”，即从灭绝或未被采样的“幽灵”谱系向现存物种的基因渐渗，开始受到人们的关注（包括本研究团队，参见Pang & Zhang 2023, 2024）。这一现象已在现代人类、倭黑猩猩、洞穴熊、藏獒等大型动物中被相继报道，发现这些幽灵基因提升了现存近缘类群对局部环境的适应性。特别是，Svante Pääbo因在已灭绝尼安德特人的基因组和人类进化方面的重大发现获得了2022年诺贝尔生理学或医学奖，进一步彰显了幽灵基因渐渗研究的重要性。然而，在植物中，幽灵基因渐渗现象却鲜有报道，一方面是人们在研究中忽视其存在，另一方面是当前常用的检测渐渗方法存在局限性（图1）。

图1：基于四个现存物种（内群：P1、P2和P3；外群：O）和一个幽灵谱系（G）构建的阶梯状物种树的渐渗情景。（a）非姊妹物种渐渗和（b）幽灵渐渗事件均可能导致D统计量显著偏离于零以及ABBA或BABA位点模式存在显著差异。红色或灰色实心箭头表示非姊妹物种间或从幽灵谱系向现存物种的渐渗事件。

我们选择了胡桃科（Juglandaceae）山核桃属（Carya）的一个特殊成员——喙核桃（Carya sinensis）开展幽灵基因渐渗研究。该物种因其果壳顶端具鸟喙状渐尖而得名。古植物学者认为，喙核桃的果实显示出山核桃属和胡桃属（Juglans）的祖先联系特征，并将其处置为Caryojuglans或Juglandicarya的活化石。不论是基于形态数据还是少量分子片段数据的研究，喙核桃的系统发育位置一直存在争议，即保留喙核桃为单种属（Annamocarya）或将其置于山核桃属。此外，喙核桃分布在中国西南部和越南北部茂密的低地森林中，是现存所有山核桃属物种中最具热带与亚热带成分的物种。鉴于喙核桃形态和生态特征的独特性，我们猜想这可能是由于喙核桃与有较远亲缘关系的某一类群发生了古老的基因渐渗，从而使喙核桃具备了一些祖先特征。为验证这一假设，我们组装了喙核桃和山核桃（Carya cathayensis）2个物种的高质量染色体水平的参考基因组，并对43个喙核桃个体和其他11种二倍体山核桃属物种进行了全基因组重测序，开展了系统发育基因组学研究。

首先，我们使用多种方法构建物种树，包括利用受基因流干扰较小的全基因组结构变异信息，得到了一棵准确反映山核桃属二倍体物种进化关系的物种树拓扑。在物种树上，山核桃属分为东亚与北美2个分支，其中，喙核桃与东亚山核桃属6个物种聚为一支。随后，我们进行了D统计量（也称ABBA-BABA）分析，在30组[((P1：喙核桃，P2：6个东亚山核桃物种)，P3：5个北美山核桃属物种)，O：枫杨]拓扑组合中均发现D值显著偏离0，表明存在基因流。然而，由于D统计量无法区分基因流来自现存的非姊妹物种（P2-P3）还是未被采样的“幽灵”谱系（G-P1）（图1），我们进一步使用了基于MSci模型且同时考虑基因树拓扑和枝长信息的BPP方法(Pang & Zhang 2024)，分析比较6种可能的渐渗情景，最终揭示了D统计量所检测出的渐渗信号源于幽灵谱系向喙核桃的基因渗入（图2）。最后，我们还通过PhyloNet软件包中的MPL方法推断出系统发育网络，以及基于喙核桃种内多态数据的VolcanoFinder软件检测到来自幽灵支系的适应性渐渗，进一步验证了这一结论。

图2：使用BPP软件的MSci模型，对喙核桃和山核桃属其他11个二倍体物种的幽灵基因渐渗情景进行了分化时间估计。红色虚线箭头表示了在MSci模型中喙核桃从幽灵谱系继承的渐渗概率。右侧的三幅照片分别展示了喙核桃（C. sinensis）、山核桃（C. cathayensis，东亚山核桃属代表物种）和美国山核桃（C. illinoinensis，北美山核桃树代表物种）的果实形态。特此感谢贵州黔西南喀斯特区域发展研究院邓朝义研究员和信阳师范大学朱鑫鑫副教授提供喙核桃和美国山核桃的果实照片。

根据本研究结果，我们建议将喙核桃置于山核桃属下，而不应保持为一个单种属。以往研究表明，当前东亚-北美间断分布的山核桃属植物可能在早古新世起源于北美，并在始新世和渐新世通过北大西洋陆桥迁移到欧洲（古老化石，已灭绝），随后通过图尔盖海峡消退或从北美通过白令陆桥进入亚洲（图3）。然而，根据本研究的幽灵基因渐渗情景，我们估计现存的东亚和北美山核桃属物种的冠群年龄约为3.96百万年（图2），早于白令陆桥首次关闭的时间（约5.5百万年）。此外，东亚山核桃属植物具有裸芽和易脱落的鳞芽，被认为是原始特征，而北美山核桃属植物具有覆瓦状或镊合状的芽鳞包被，被认为是对北温带气候的进化适应。因此，我们提出“山核桃属植物的北美起源-东亚回迁”假说，即山核桃属的北美祖先可能在中新世中期开始的北半球高纬度地区的气温持续下降中灭绝，而北美现存的山核桃属植物可能是从东亚经由白令陆桥迁移回北美（图3）。

图3：本研究提出的山核桃属植物新的生物地理进化模式。（a–c）展示了山核桃属植物在中始新世（a）、晚渐新世（b）和中中新世（c）期间的迁徙路线，参考中国科学院植物研究所陈之端研究员课题组2013年发表在PLoS One的研究（https://doi.org/10.1371/journal.pone.0070449），（d）展示了我们本次研究新增的山核桃属植物在上新世的迁徙路线。空心和实心圆圈分别代表古老化石和现存山核桃属植物的地理分布区域。以上各时期白令陆桥的地理格局改编自美国史密森研究院的文军教授等人2016年发表在Journal of Systematics and Evolution的研究（https://doi.org/10.1111/jse.12222）。

本研究首次利用实测数据，结合D统计量和BPP方法并辅之以PhyloNet系统发育网络分析，有力地揭示了喙核桃中存在幽灵基因渐渗现象。这种方法的创新之处在于，它能区分现存物种间的基因流和来自未被采样的“幽灵”谱系的基因流。考虑到在任何实际系统发育研究中，灭绝或未被采样物种的普遍存在，这种方法有望在更多的生物类群中揭示幽灵基因渐渗事件的存在，从而为相关谱系的系统进化、物种形成以及生态适应提供新的见解。同时，我们注意到PhyloNet分析还提示了湖南山核桃的杂交起源，但这个现象需要后续工作更深入细致地解析。

论文“Uncovering ghost introgression through genomic analysis of a distinct eastern Asian hickory species”于2024年6月8日正式发表在国际植物学经典期刊（中科院一区top，2023年影响因子7.2）The Plant Journal上。北京师范大学核桃研究团队已毕业博士生章为平和丁亚梅（现均为中国科学院华南植物园博士后）为论文共同第一作者，北京师范大学白伟宁教授和张大勇教授为论文共同通讯作者，北京师范大学在读博士生曹昱、杨杨、庞晓旭和浙江大学李攀副教授为论文共同作者。该研究得到了国家自然科学基金项目(31421063和32170223)、国家重点研发计划项目(2017YFA0605104)、 “111”高校学科创新引智计划项目(B13008)、北京市高精尖项目等支持。

论文链接：http://doi.org/10.1111/tpj.16859

延伸阅读（核桃研究团队关于幽灵渐渗理论与方法的其他相关论文）：

Pang, X.X. & Zhang, D.Y. (2023) Impact of ghost introgression on coalescent-based species tree inference and estimation of divergence time. Systematic Biology, 72, 35–49. https://doi.org/10.1093/sysbio/syac047

Pang, X.X. & Zhang, D.Y. (2024) Detection of ghost introgression requires exploiting topological and branch length information. Systematic Biology, 73, 207–222. https://doi.org/10.1093/sysbio/syad077.