核桃（Juglans regia L.）又名胡桃、波斯核桃隶属于胡桃科（Juglandaceae），多年生落叶乔木，果实富含不饱和脂肪酸，是世界著名的“四大干果”之一，自然分布区位于西亚至西喜马拉雅以及我国的新疆地区。关于核桃的驯化历史及扩散路线一直存有争议，在我国曾有张骞出使西域带回核桃一说。目前，可靠的考古发现和文字记录表明，核桃最初是在伊朗-安纳托利亚地区（Irano-Anatolian region）完成驯化，该地区由伊朗、土耳其、南高加索和土库曼斯坦的部分地区组成。驯化后被人们分别向西传播至欧洲，向东传播至西亚、中亚和我国北方地区。在亚美尼亚（西亚）坟墓的陶瓷容器中核桃的坚果遗骸可以追溯到大约6200年前，克什米尔（南亚）的坚果壳可以追溯到~4700-4000年前，由此推测核桃开始向东扩散的时间可能在新石器晚期或青铜器早期（距今5300-3100年）。或者，栽培核桃的东部扩散也可能是通过从公元90-130年（距今1892-1932年）开始的丝绸之路进行的，当汉朝正式开放与西方的贸易时，丝绸之路完全连接了罗马帝国和中国。

核桃的近缘物种，铁核桃（J. sigillata），在云南有很长的栽培历史，自然分布范围为云南、贵州、四川、西藏东南部、锡金和不丹，与核桃可以自由杂交。考虑到杂交在作物驯化过程中发挥的重要作用，研究团队同时对这两个物种开展了种群历史动态和杂交渐渗方面的研究，以揭示栽培核桃的驯化起源过程和扩散时间。

研究团队对87个分布在欧洲、伊朗、哈萨克斯坦、巴基斯坦和中国的核桃以及26个分布在中国西南地区的铁核桃进行了种群基因组分析。结果发现：核桃和铁核桃分成两个独立的组，在核桃内部进一步分成东、西两个组。东部组分包括来自我国的25个体，西部组分包括来自欧洲23个体和伊朗8个体。9个混合（admixed）个体（5个巴基斯坦样本、2个伊朗样本、1个哈萨克斯坦和1个新疆样本）具有更多的私有等位基因，并在系统发育树中处于东、西核桃支系的基部位置（图1）。这一结果支持了东、西部核桃最初在伊朗-安纳托利亚地区驯化的假说。

图1 种群结构和系统发生树。a，核桃和铁核桃113个样本的STRUCTURE分析，个体的排布顺序与系统发生树一致。系统发生树中红色枝表示西部核桃支系（31个个体），橙色枝表示东部核桃支系（25个个体），蓝色枝表示铁核桃支系（15个个体），黑色枝表示核桃和铁核桃的杂合支系（33个个体），青色枝表示东部和西部核桃的杂合支系（9个个体）。b，核桃和铁核桃113个个体的主成分分析。c，共享单核苷酸多态（SNPs）比例。d，私有单核苷酸多态（SNPs）比例。

利用软件GONE（根据位点之间连锁不平衡信息推断种群历史动态），研究团队发现，分布在欧洲到伊朗的西部核桃支系和中国北方的东部核桃支系在大约80个世代前（约4000-2400年前）种群大小急剧下降，随后在大约40个世代前出现了种群扩张；而铁核桃群体在大约20世代前（1000-600年）快速下降（图2a）。在叶绿体单倍型分析中发现，83个核桃样本只有两个单倍型，而且两个单倍型之间只有3个核苷酸差异，其中一个单倍型与铁核桃共享 (图2b)，这与人工选择后造成的种群瓶颈后果一致。利用迁移-隔离模型（Isolation-with-Migration model），推断出核桃和铁核桃在85万年前开始分化，且东部核桃支系（以及祖先）与铁核桃之间存在单向基因流（图2c）。该结果支持了栽培核桃在新石器晚期或者青铜器早期，向东通过中亚传入中国新疆地区，然后再到甘肃、陕西以及东部更多的省份，从而形成现在的东部核桃支系；向西通过土耳其传入希腊、罗马以及欧洲大部分地区，形成现在的西部核桃支系（图3）。栽培核桃向东传播的过程中与铁核桃相遇发生单向的基因渐渗（包括果壳厚度基因），促进了铁核桃非常近期的驯化，并导致其在20世代前开始出现明显的种群瓶颈。

本研究揭示了核桃和铁核桃的驯化起源历史，并发现两个物种在驯化过程中都经历了严重的瓶颈效应，表明至少在某些多年生作物的驯化中，种群瓶颈是非常可能发生的，这为探讨多年生植物的驯化提供了新思路。

图2 种群历史动态和叶绿体单倍型。a，GONE推断100世代以内有效种群大小。b，叶绿体单倍型。c，IMa3推测核桃和铁核桃的分化时间和基因

图3 栽培核桃的起源地及可能的扩散路线

本研究成果于2022年7月5日正式发表在国际学术期刊Genome Biology（IF2022=17.9）。北京师范大学博士研究生丁亚梅为论文的第一作者，北京师范大学白伟宁教授、张大勇教授和美国华盛顿大学Susanne S. Renner教授为该论文的共同通讯作者。北师大博士研究生曹昱、章为平、陈君、中国科学院昆明植物研究所刘杰博士、浙江大学李攀博士为本论文的共同作者。本研究得到了国家重点研发计划项目(2017YFA0605104)、国家自然科学基金项目(41671040和31421063)、“111”高校学科创新引智计划项目(B13008)、北京市高精尖项目的支持。

文章链接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-022-02720-z#Sec13