中国重要松树资源生态适应性基因组学基础与未来气候条件下的种质资源利用

Understanding the genetic basis of adaptation to environments is important for predicting long-term responses of a biological system to climate change, which in turn would give us greater confidence in management decisions and breeding toward maximizing benefits and minimizing risks in an uncertain future..Six pine species, Pinus massoniana, P. taiwanensis var. huangshanensis, P. yunnanensis, P. densata, P. tabuliformis and P. sylvestris var. mongolica, make a country-wide distribution across China and are improtant wood producing species and play significant roles in eco-restoration. These pines replace each from south to north with overlapping zones in between. Distinct ecologcial divergence and extensive gene flow are characteristics of the complex system. However, few studies have focused on the genomic and ecological mechanisms underpinning the species divergence in the system. .The proposed project intends to investigate the population genomic properties underlying the significant local adaptation to heterogeneous environments using the recently available genomic resources. We aim to 1) characterize the patterns of ecological and genomic divergence among the 6 closely related pine species; 2) to detect the functional genomic basis underlying ecological divergence, and to estimate the strength of natural selection in shaping ecological divergence; and 3) to predict the dynamic response of pine populations to future climate change. This project will provide an in-depth understanding of genetic structure of the pine forest across the country-wide range, and shed lights on the genomic basis of adaptive divergence among the species. It will also provide valuable information for more effective tree breeding programs that take into account of future climate scenarios.

林木种质资源管理与利用的前提是对遗传变异模式有系统精确的认识。气候变化的威胁在于其速度超出了树种自身适应转变速度，对针叶树等长寿命树种影响更甚。树种适应性遗传机制、时空格局与动态、气候变化下种质保育与选择利用策略等是当前森林遗传研究的重要议题。马尾松、黄山松、云南松、高山松、油松、樟子松同属松属双维管束亚属，在我国森林生态系统中有举足轻重地位，是森林经营主体。这些树种生态适应变异模式、维持机制和气候变化下经营策略尚缺乏研究。. 本项目拟将上述6个重要松属地理替代种做为一个适应性演化整体，结合功能基因组分析，系统研究（1）适应性分化的基因组模式；（2）适应性分化驱动机制；（3）气候变化条件下种群动态趋势。本项目有助于探讨针叶树环境适应性发展模式、发掘重要遗传资源、建立气候变化下森林经营与响应策略，为基因组时代种质利用和良种选育提供参考。

林木种质资源属国计民生的战略资源。气候变化的威胁在于其速度超出了树种自身适应转变速度，对针叶树等长寿命树种影响更甚。树种适应性遗传机制、时空格局与动态、气候变化下种质保育与选择利用策略等是当前森林遗传研究的重要议题。针叶树在我国森林生态系统中有举足轻重地位，是森林经营主体。这些树种生态适应变异模式、维持机制和气候变化下经营策略尚缺乏研究。. 本项目以多个重要针叶树造林树种为对象，针对其适应性变异模式与机制的问题，（1）开展了大规模、多物种群体取样；（2）建立了大尺度、高精度的气象环境数据集；（3）基于高通量测序，建立和完善了外显子组测序、简化基因组测序和基于转录组测序等分子标记技术，建立了针叶树基因组水平高效的遗传分析技术体系；（4）系统评价了重要针叶树种油松、高山松、云南松全分布区范围基因组水平的遗传变异，明晰了地理变异格局；确认了遗传格局与已有种源区划、种子调拨的关联，识别了基因流方向、强度及其与适应性分化间的关联；基因组特征决定着绝大部分林木种内适应性变异；林木应对水、热、紫外辐射等不同环境的基因组决定机制不同；（5）建立基于人工智能算法的基因组预测技术，澄清了油松、云南松、高山松等不同树种间适应性分化模式和演化机制；拓展了基因组-环境关联模型，预测了林木响应气候变化趋势；研究发现林木应对水、热、紫外辐射等不同环境的基因组决定机制不同，但都为复杂多基因控制；边缘种群承受更多气候变化的胁迫，需要监测和遗传拯救措施。. 项目首次提出了基因组时代林木综合性种质利用策略，为林木持续遗传改良和高效利用，提供了重要依据。培养研究生5名；参与了14次国内国际学术会议，共做专题报告10次；发表学术论文10篇，“第一标注” 8 篇（SCI 论文7篇）；“第一标注”成果，在《中国科学报》生态环境版块以专题形式报道；“第二标注”成果，以封面论文发表在 New Phytologist。