Summary The complex geography and climatic changes occurring in subtropical China during the Tertiary and Quaternary might have provided substantial opportunities for allopatric speciation. To gain further insight into these processes, we reconstruct the evolutionary history of Quercus spinosa, a common evergreen tree species mainly distributed in this area. Forty-six populations were genotyped using four chloroplast DNA regions and 12 nuclear microsatellite loci to assess genetic structure and diversity, which was supplemented by divergence time and diversification rate analyses, environmental factor analysis, and ecological niche modeling of the species distributions in the past and at present. The genetic data consistently identified two lineages: the western Eastern Himalaya-Hengduan Mountains lineage and the eastern Central-Eastern China lineage, mostly maintained by populations’ environmental adaptation. These lineages diverged through climate/orogeny-induced vicariance during the Neogene and remained separated thereafter. Genetic data strongly supported the multiple refugia (per se, interglacial refugia) or refugia within refugia hypotheses to explain Q. spinosa phylogeography in subtropical China. Q. spinosa population structure highlighted the importance of complex geography and climatic changes occurring in subtropical China during the Neogene in providing substantial opportunities for allopatric divergence.

SUMMARY Demographic history and mutational load are of paramount importance for the adaptation of the endangered species. However, the effects of population evolutionary history and genetic load on the adaptive potential in endangered conifers remain unclear. Here, using population transcriptome sequencing, whole chloroplast genomes and mitochondrial DNA markers, combined with niche analysis, we determined the demographic history and mutational load for three threatened whitebark pines having different endangered statuses, Pinus bungeana , P. gerardiana and P. squamata . Demographic inference indicated that severe bottlenecks occurred in all three pines at different times, coinciding with periods of major climate and geological changes; in contrast, while P. bungeana experienced a recent population expansion, P. gerardiana and P. squamata maintained small population sizes after bottlenecking. Abundant homozygous‐derived variants accumulated in the three pines, particularly in P. squamata , while the species with most heterozygous variants was P. gerardiana . Abundant moderately and few highly deleterious variants accumulated in the pine species that have experienced the most severe demographic bottlenecks ( P. gerardiana and P. squamata ), most likely because of purging effects. Finally, niche modeling showed that the distribution of P. bungeana might experience a significant expansion in the future, and the species' identified genetic clusters are also supported by differences in the ecological niche. The integration of genomic, demographic and niche data has allowed us to prove that the three threatened pines have contrasting patterns of demographic history and mutational load, which may have important implications in their adaptive potential and thus are also key for informing conservation planning.

Abstract Background Global climate change poses severe threats to biodiversity and ecosystem stability. Rapid climate oscillations potentially lead to species geographic range shifts, population declines, and even extinctions. The rare and endangered species, being critical components of regional biodiversity, hold the key to understanding local adaptation and evolutionary processes shaping species distributions. Therefore, assessing the evolutionary mechanisms of local adaptation and population vulnerability under climate change is crucial for developing conservation strategies of endangered species. Results In this study, we assembled a high-quality, chromosome-level genome of the rare and endangered herb Bergenia scopulosa in the Qinling Mountains in East Asia and resequenced 37 individual genomes spanning its entire geographic distributional ranges. By integrating population genetics, landscape genomics, and climate datasets, a substantial number of adaptive single-nucleotide polymorphism loci associated with climate variables were identified. The genotype–environment association analysis showed that some cold-tolerant genes have played pivotal roles in cold environmental adaptation of B. scopulosa. These findings are further corroborated through evolutionary analysis of gene family and quantitative PCR validation. Population genomic analysis revealed 2 distinct genetic lineages in B. scopulosa. The western lineage showed higher genomic vulnerability and more rare cold-tolerance alleles, suggesting its heightened sensitivity to impending climate shifts, and should be given priority conservation in the management practices. Conclusions These findings provide novel insights into local adaptation and genomic vulnerability of B. scopulosa under climate change in the Qinling Mountains in East Asia. Additionally, the study also offers valuable guidance for formulating conservation strategies for the rare and endangered plants.

Geological and climatic events have long been considered to profoundly affect population evolution and demographic history of species, but the population evolutionary history of the rare and endangered herbaceous plants in East Asia remains less well understood. In this study, chloroplast genomes, environmental variables and geographical distribution information were integrated to determine the evolutionary history and population dynamics of Bergenia scopulosa T.P.Wang, an endangered medicinal herb endemic in central China (Qinling Mountains). Population genomic analysis based on chloroplast genomes indicated a significant degree of intraspecific differentiation within B. scopulosa, where two separate genetic lineages were identified in the eastern and western groups in the Qinling Mountains, respectively. The two groups were found to have a low level of nucleotide diversity. Meanwhile, ecological niche analysis revealed that the two groups had obvious ecological divergence. Species distribution modeling illustrated that B. scopulosa had experienced a prominent population contraction from the interglacial periods to the present, while the suitable habitat was predicted to shift to higher elevations in response to global warming in future scenarios. These findings suggested that the geological and environmental factors together affected the intraspecific divergence and population dynamics of B. scopulosa in the Qinling Mountains in East Asia. In particular, geographic isolation appeared to play a greater role in genetic differentiation within B. scopulosa. Therefore, the evolutionary conservation units of eastern and western groups should be correspondingly established for this endangered medicinal herb B. scopulosa.

To investigate the soil-specific metabolites of Codonopsis pilosula under different stubble management practices, this study analyzed differentially abundant metabolites in the rhizosphere soils of rotational (DS) and continuous (LS) cropping systems via liquid chromatography–tandem mass spectrometry (LC–MS/MS)-based metabolomic approaches. The results revealed that 66 metabolites, including amino acids and their derivatives, nucleic acids, alcohols, organic acids, amines, fatty acids, purines, and sugars, were significantly different (p < 0.05) between the DS and LS groups. Under continuous cropping, the levels of amines, fatty acids, organic acids, and sugars in the rhizosphere soil were significantly greater (p < 0.05) than those under rotational cropping, whereas the levels of amino acids and their derivatives, nucleic acids, and purines and pyrimidines were significantly lower (p < 0.05). KEGG pathway enrichment analysis revealed that these differentially abundant metabolites were enriched in metabolic pathways such as amino acid metabolism (e.g., alanine, aspartate, and glutamate metabolism), carbon metabolism, the cAMP signaling pathway, ABC transporter proteins, phenylalanine metabolism, and the biosynthesis of plant secondary metabolites. These metabolic pathways were involved in osmoregulation, energy supply, and resilience in plants. In conclusion, inter-root soil metabolites in rotational and continuous cropping of Codonopsis pilosula were able to influence soil physicochemical properties and microbial populations by participating in various biological processes.

Late embryogenesis abundant (LEA) proteins are a class of proteins associated with osmotic regulation and plant tolerance to abiotic stress. However, studies on the LEA gene family in the alpine cold-tolerant herb are still limited, and the phylogenetic evolution and biological functions of its family members remain unclear. In this study, we conducted genome-wide identification, phylogenetic evolution, and abiotic stress response analyses of LEA family genes in Notopterygium species, alpine cold-tolerant medicinal herbs in the Qinghai–Tibet Plateau and adjacent regions. The gene family identification analysis showed that 23, 20, and 20 LEA genes were identified in three Notopterygium species, N. franchetii, N. incisum, and N. forrestii, respectively. All of these genes can be classified into six LEA subfamilies: LEA_1, LEA_2, LEA_5, LEA_6, DHN (Dehydrin), and SMP (seed maturation protein). The LEA proteins in the three Notopterygium species exhibited significant variations in the number of amino acids, physical and chemical properties, subcellular localization, and secondary structure characteristics, primarily demonstrating high hydrophilicity, different stability, and specific subcellular distribution patterns. Meanwhile, we found that the members of the same LEA subfamily shared similar exon–intron structures and conserved motifs. Interestingly, the chromosome distributions of LEA genes in Notopterygium species were scattered. The results of the collinearity analysis indicate that the expansion of the LEA gene family is primarily driven by gene duplication. A Ka/Ks analysis showed that paralogous gene pairs were under negative selection in Notopterygium species. A promoter cis-acting element analysis showed that most LEA genes possessed multiple cis-elements connected to plant growth and development, stress response, and plant hormone signal transduction. An expression pattern analysis demonstrated the species-specific and tissue-specific expression of NinLEAs. Experiments on abiotic stress responses indicated that the NinLEAs play a crucial role in the response to high-temperature and drought stresses in N. franchetii leaves and roots. These results provide novel insights for further understanding the functions of the LEA gene family in the alpine cold-tolerant Notopterygium species and also offer a scientific basis for in-depth research on the abiotic stress response mechanisms and stress-resistant breeding.