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普通核桃(Juglans regia L.)隶属胡桃科胡桃属，是一种重要的经济型阔叶树种。该物种主要分布在北半球的亚热带和温带地区，可生产食用价值高的坚果和优质木材。除了自然地貌和气候对核桃群体遗传结构的影响外，人为因素影响更大。普遍认为，核桃经历了末次盛冰期后，生长于亚洲整个的密闭林之中。古时候人们通过贸易活动将核桃带到了世界各地。自2012年以来，世界核桃总产量超过了300万吨，主要产自于中国、美国和伊朗。尽管核桃非常古老，但关于核桃的育种历史在20世纪才开始发展。在最近30年来，从分子标记如简单重复序列(SSRs)到基因组分析，人们已经使用了多种方法对核桃进行了多项群体遗传学方面的研究，这其中包括了多样性、系统发育关系、起源进化和遗传图谱构建等分析。NAC是植物特有的转录因子，参与植物多种发育过程，例如开花、植物生长调节与发育。但是尚未有关于NAC转录因子基因家族在核桃物种中的研究报道。本研究中，建立在核桃全基因组发布的基础上，我们对核桃NAC转录因子基因家族进行了鉴定分析研究。另外，基于14对多态性高的微卫星遗传标记，我们对欧亚大陆范围分布的150个同群体2929核桃个体进行了群体遗传进化分析研究。主要研究结果如下：
(i)本研究基于核桃公布全基因组，利用生物信息方面共鉴定了102个NAC基因。并对这102个NAC基因进行系统发育树构建、蛋白质基序和基因结构分析，并将其分类为10个亚家族。保守基序和保守结构域分析表明：普通核桃含有5个保守基序和7个保守蛋白质结构域。基因结构分析表明，大多数NAC基因均含有3个外显子。在核桃中，鉴定出了一些与其他木本植物如毛果杨、欧洲油橄榄和夏栎相关的NAC共线基因对。染色体定位结果表明：102个JrNAC基因在16条染色体上不均匀分布，其中10号染色体上的数量最多。核桃中鉴定出七对旁系NAC基因：JrNAC13-5/Jure_05048.t1，JrNAC1-5/Jure_13612.t1，JrNAC10-5/Jure_17221.t1，JrNAC4-2/Jure_19897.t1，JrNAC2-11/Jure_20271.t1，JrNAC9-7/Jure_20272.t1，JrNAC10-8/Jure_28343.t1。基因复制事件分析表明：60个JrNAC为全基因组复制方式在NAC基因家族的扩张中起关键作用。61个基因对中，一对NAC基因存在负选择作用(Ka/Ks<1)。顺式作用元件分析结果发现：JrNAC启动子区域包含77%的感光元件，7%的逆境胁迫响应元件，3%的植物生长响应元件以及13%的位点结合相关元件。JrNAC1-4基因具有植物生长响应元件，而基因JrNAC2-6具有蛋白质结合位点元件。蛋白互作分析表明：JrNAC1-4和AtWRKY12之间存在很强的关联性，其中AtWRKY12是一个调控花发育的基因，由此推测JrNAC1-4可能发挥调控花发育的关键作用。实时荧光定量PCR结果表明：该家族中有三个基因(JrNAC9-8，JrNAC14-1和JrNAC3-4)在果实中表达量高，并在果实发育成熟中起到作用。此外，转录组表达数据和qRT-PCR实验验证均显示，有2个NAC基因(JrNAC1-4和JrNAC2-6)在雌雄花中的表达水平明显高于叶片。共有22个JrNAC在生殖组织中高表达，而在营养组织中低表达，证明该基因家族(JrNAC)在花的发育中起作用。
(ii)我们使用对来自欧亚大陆150个不同群体的2929核桃个体中筛选到的14个SSR标记，进行空间遗传结构和遗传多样性分析。基于14个SSR标记的STRUCTURE分析表明，核桃遗传结构当K=3为最优分组，且大多数样本通常被分为与地理位置关联的遗传群体。主坐标分析(PCoA)结果也可将150个群体分成三组，与STRUCTURE结果一致。说明欧亚大陆核桃群体有较为明显的谱系地理结构。根据ArcGIS中的IDW技术对核桃群体的遗传多样性指标(HO，HE，PPL，NA和RS)进行了地理坐标热图分析发现，核桃群体遗传多样性较高，其中中国的核桃遗传多样性最高，其次为中亚和欧洲。分子变异分析(AMOVA)结果显示：主要遗传变异的64％来自群体内个体间。遗传隔离分析结果发现：主要的遗传边界出现在中国、巴基斯坦、吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦。通过基因流分析结果表明：θ和M值大于零，迁移率(M)和θ值的大小显示出高度不对称的历史基因流。迁移率(M)显示从种群Ⅰ到种群Ⅱ(M=6.68)，种群Ⅲ到种群Ⅰ(M=5.58)和种群Ⅱ到种群Ⅰ(M=4.89)的历史基因流量不对称。同时，每个基因座的基因流为0.23至0.79，提供了群体间历史基因流的直接证据。生态位模拟分析结果表明：核桃在冰期有多个避难所，欧洲、中亚和中国均为冰期最适宜分布。结合遗传学、化石、气候数据我们推测核桃更可能起源于中亚地区。在过去的五个世纪中，北方地区的种群数量不断增加。在末次盛冰期之后，核桃当前的群体分布格局是由于不同避难所的收缩/扩张的累积效应以及人类行为共同影响的结果。
(i)本研究基于核桃公布全基因组，利用生物信息方面共鉴定了102个NAC基因。并对这102个NAC基因进行系统发育树构建、蛋白质基序和基因结构分析，并将其分类为10个亚家族。保守基序和保守结构域分析表明：普通核桃含有5个保守基序和7个保守蛋白质结构域。基因结构分析表明，大多数NAC基因均含有3个外显子。在核桃中，鉴定出了一些与其他木本植物如毛果杨、欧洲油橄榄和夏栎相关的NAC共线基因对。染色体定位结果表明：102个JrNAC基因在16条染色体上不均匀分布，其中10号染色体上的数量最多。核桃中鉴定出七对旁系NAC基因：JrNAC13-5/Jure_05048.t1，JrNAC1-5/Jure_13612.t1，JrNAC10-5/Jure_17221.t1，JrNAC4-2/Jure_19897.t1，JrNAC2-11/Jure_20271.t1，JrNAC9-7/Jure_20272.t1，JrNAC10-8/Jure_28343.t1。基因复制事件分析表明：60个JrNAC为全基因组复制方式在NAC基因家族的扩张中起关键作用。61个基因对中，一对NAC基因存在负选择作用(Ka/Ks<1)。顺式作用元件分析结果发现：JrNAC启动子区域包含77%的感光元件，7%的逆境胁迫响应元件，3%的植物生长响应元件以及13%的位点结合相关元件。JrNAC1-4基因具有植物生长响应元件，而基因JrNAC2-6具有蛋白质结合位点元件。蛋白互作分析表明：JrNAC1-4和AtWRKY12之间存在很强的关联性，其中AtWRKY12是一个调控花发育的基因，由此推测JrNAC1-4可能发挥调控花发育的关键作用。实时荧光定量PCR结果表明：该家族中有三个基因(JrNAC9-8，JrNAC14-1和JrNAC3-4)在果实中表达量高，并在果实发育成熟中起到作用。此外，转录组表达数据和qRT-PCR实验验证均显示，有2个NAC基因(JrNAC1-4和JrNAC2-6)在雌雄花中的表达水平明显高于叶片。共有22个JrNAC在生殖组织中高表达，而在营养组织中低表达，证明该基因家族(JrNAC)在花的发育中起作用。
(ii)我们使用对来自欧亚大陆150个不同群体的2929核桃个体中筛选到的14个SSR标记，进行空间遗传结构和遗传多样性分析。基于14个SSR标记的STRUCTURE分析表明，核桃遗传结构当K=3为最优分组，且大多数样本通常被分为与地理位置关联的遗传群体。主坐标分析(PCoA)结果也可将150个群体分成三组，与STRUCTURE结果一致。说明欧亚大陆核桃群体有较为明显的谱系地理结构。根据ArcGIS中的IDW技术对核桃群体的遗传多样性指标(HO，HE，PPL，NA和RS)进行了地理坐标热图分析发现，核桃群体遗传多样性较高，其中中国的核桃遗传多样性最高，其次为中亚和欧洲。分子变异分析(AMOVA)结果显示：主要遗传变异的64％来自群体内个体间。遗传隔离分析结果发现：主要的遗传边界出现在中国、巴基斯坦、吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦。通过基因流分析结果表明：θ和M值大于零，迁移率(M)和θ值的大小显示出高度不对称的历史基因流。迁移率(M)显示从种群Ⅰ到种群Ⅱ(M=6.68)，种群Ⅲ到种群Ⅰ(M=5.58)和种群Ⅱ到种群Ⅰ(M=4.89)的历史基因流量不对称。同时，每个基因座的基因流为0.23至0.79，提供了群体间历史基因流的直接证据。生态位模拟分析结果表明：核桃在冰期有多个避难所，欧洲、中亚和中国均为冰期最适宜分布。结合遗传学、化石、气候数据我们推测核桃更可能起源于中亚地区。在过去的五个世纪中，北方地区的种群数量不断增加。在末次盛冰期之后，核桃当前的群体分布格局是由于不同避难所的收缩/扩张的累积效应以及人类行为共同影响的结果。