红树植物木果楝属对海岸潮间带不同生境适应性进化的分子机制

The three Xylocarpus species with the differentiated ecological characteristics are the ideal system for studying the adaptive evolution of mangrove plants in different coastal intertidal habitats at the omics level. Based on the available whole genome sequences of the Xylocarpus granatum, whole genome resequencing of populations, combining with paleogeographic data, environmental factor correlation analysis, mathematical modeling and computer simulation will be used to study the origin, speciation and adaptive evolution of this genus, including all three Xylocarpus species ( 29 populations) distributed in the Indo-West Pacific and two sister terrestrial Carapa species distributed in Neotropics, in total 176 individuals. We will explore the distribution of genomic island of divergence and estimate the intensity and effect of genetic introgression between sister species during their speciation process, and establish a population historical model for Xylocarpus along with the historical environmental changes in the Indo-West Pacific based on paleogeographic data. We will further identify candidate genes that might be associated with the environmental adaptation in varying degrees among different habitats, such as tolerance to hypoxia or salt and reveal the adaptation mechanism during the evolution of Xylocarpus. Our study will provide scientific insights for the utilization and protection of Xylocarpus plant resources and in-depth understanding of the adaptive evolution of coastal intertidal organisms at different time and space scales.

红树植物木果楝属所具有的三种差异化生态特性物种提供了在组学水平研究红树植物对海岸潮间带不同生境适应性进化的理想模式。本项目在前期已测定的木果楝全基因组序列的工作基础上，对分布在印度-西太平洋地区的木果楝属3个物种29个种群及该属陆生近缘属2种共176个个体采用全基因组重测序方法，结合地史资料、环境因子关联分析、数学建模和计算机模拟，对木果楝属的起源、物种分化与适应性进化机制进行研究。检测物种间基因组分化岛屿的分布模式，研究近缘物种分化过程中基因渐渗的强度和作用；结合古地理资料建立印度-西太平洋地区木果楝属植物应对环境改变的种群历史模型；从属内不同物种适应海岸潮间带不同生境相关的各种抗盐、耐低氧等性状相关调控通路着手，筛选查找受正选择作用的基因，揭示木果楝属进化中的适应机制。研究结果将为开发、利用和保护木果楝属植物资源，深入理解海岸潮间带生物在不同时空尺度的适应性进化提供科学依据。

适应性进化是生物多样性产生的主要动力，然而目前对植物物种形成与适应性分化的遗传基础还知之甚少。本项目以具有三种差异化生境特性物种的红树植物木果楝属Xylocarpus为研究对象，在前期已测定的木果楝全基因组序列的工作基础上，采用种群全基因组重测序的方法，结合地史资料和环境因子数据，对分布在印度-西太平洋地区的该属三个物种的起源、物种分化与适应性进化机制进行研究。研究结果显示，木果楝属与最近陆生亲缘属Carapa在晚渐新世到早中新世（约19.6Mya）分歧。基于全基因组区间扫描和统计分析的结果表明属内三个物种之间遗传分化程度强，高分化岛屿数量多且分散在基因组上多个区域。利用基于全基因组高覆盖度鉴定到的SNP位点所进行的木果楝属群体遗传结构分析同样揭示了木果楝属三个物种间的显著分化。正选择信号基因的功能注释结果揭示该属不同物种在应对海岸带生境的适应策略上存在较大差异。木果楝属三个物种之间无论在基因组序列的整体比较上，还是在参与环境适应的功能基因的种类以及它们在群体中的基因型分布频率上均显示出较显著的种间差异。历史谱系地理与基因流分析结果均表明，木果楝属的物种分化受到生境、历史地理障碍与洋流的多重影响，现有物种存在继续分化的趋势。本项目首次在基因组水平上综合比较了木果楝属种间与种内不同层次上的遗传差异，探讨了属内具差异化生境条件的不同物种种群基因组分化模式的异同，全面分析了物种间谱系结构的变化规律及其与各种环境因子以及地理因子的内在联系。研究结果系统地阐明了不同红树植物起源的时空异质性以及适应差异化生境所导致的种群基因组分化格局的形成过程。项目进一步对海岸带多种不同生态分布类型植物的谱系地理特征以及在全球气候变化背景下的时空格局变化进行了系统研究，研究成果对相关物种的保护和利用提供了第一手的分子证据，为科学管理和可持续利用海岸带植物资源提供了有意义的实例和重要理论依据。