中国古樟群体遗传变异及分子亲缘地理学研究

Camphor tree is a traditional valuable timber and special economic tree in southeastern China. As a rare plant resource, the ancient camphor tree also has a special historical and social significance. Jiangxi is known as "the hometown of camphor tree" and the ancient camphor trees are distributed widely. The research group has found there are significant differences in phenotypic traits among the China ancient camphor trees populations in the process of germplasm resources collecting. However, the level of molecular genetic variation and phylogeographical relationship is still not clear. In this study, based on the systemic investigation and collection of China's ancient camphor tree germplasm resources before, we selected 45 representative populations with other 3 populations from Taiwan and to conduct studies on the sequence and microsatellite analysis of both nuclear DNA and chloroplast DNA. Firstly, based on 10 loci of nSSR and 10 loci of cpSSR data, through analysis of genetic diversity, population structure, and molecular variance, we reveal the level of genetic diversity and population structure on the scale of geographic groups and populations of China ancient camphor trees. Secondly, based on the sequence data of 5 cpDNA fragments and 2 nDNA fragments, through analysis of haplotype distribution, phylogeographical patterns, population expansion time, we explain the features of genetic variation of China ancient camphor trees and the effect of Pleistocene climate on its genetic structure.This study has important theoretical and practical significance for understanding of the genetic variation and phylogeographical patterns of camphor tree, and for protection and utilization of ancient camphor tree germplasm resources.

香樟是主产我国南方的珍贵乡土材用和特种经济树种，而古樟树作为一种珍稀的植物资源，还具有特殊的历史和社会意义。江西被誉为“樟木之乡”，古樟资源非常丰富。项目组在前期对中国全自然分布区古樟资源收集过程中发现，群体间的表型性状存在明显差异，但其分子遗传变异水平、群体间的亲缘地理关系不明确。本项目从收集到的种质资源中选择有代表性的45个群体，并补充收集3个台湾群体，通过cpDNA和nDNA序列分析和SSR分析，获得10位点nSSR和10位点cpSSR数据，进行遗传多样性、群体结构和分子方差分析，在地理组和群体尺度上揭示香樟多样性水平及群体遗传结构；获得5个cpDNA片段和2个nDNA片段序列数据，分析单倍型分布、亲缘地理模式和群体扩张时间等内容，阐明香樟遗传变异规律及更新世气候对其遗传结构的影响。本研究对于认识我国香樟遗传变异规律和亲缘地理模式，以及种质资源保护与利用具有重要的理论和实践意义。

亲缘地理学研究被看作是群体遗传和物种形成之间的桥梁。樟树主要分布在我国南方地方地区，用途广泛，具有重要的经济文化价值。本研究围绕中国古樟群体的遗传多样性水平和亲缘地理关系，主要开展了如下研究：（1）基于转录组开发了EST-SSR标记，估算了中国古樟群体的遗传多样性参数和遗传分化系数，并对群体遗传结构进行了研究；（2）多态性检测表明cpSSR位点在种内几乎无变异，不适用于本项目研究；（3）基于转录组和HRM技术开发了nSNP标记，对中国古樟群体的遗传多样性、遗传分化和遗传结构进行了研究，检测古樟群体是否经过群体扩张事件；（4）通过叶绿体基因组和HRM技术开发了cpSNP标记，基于单倍型数据估算了中国古樟群体的传多样性参数和遗传分化参数；构建单倍型网络图并进行地理祖先区域重建，推断可能存在的冰期避难所和分布起源中心；（5）结合PacBio HiFi和Illumina测序技术，组装获得了一个高质量染色体级别的樟树基因组；通过系统发育和比较基因组分析，对樟树的系统发育分类地位和分化时间，以及全基因组复制事件进行了预测；（6）采用GBS对中国和日本的樟树群体进行了遗传多样性和遗传结构分析，系统揭示了中国和日本群体亲缘关系；（7）从21个可能影响樟树分布的当前生物气候变量中选择了10个变量，采用MaxEnt模型预测了樟树的潜在历史分布。综上所述，本研究结合核基因组EST-SSR、nSNP和叶绿体基因组cpSNP等分子标记，系统揭示了中国樟树群体遗传多样性水平中等，遗传分化水平较低，且主要存在于群体内；樟树群体具有明显的地理分布模式，江西省群体与其他群体存在较大的遗传分化；中部(江西)是樟树的起源，且以中部(江西)群体为中心，分别向东和向西进行扩散。未来，随着降水和气温的增加，樟树适宜种植区将向北扩展。研究结果不仅为樟树资源保护及其种质创新提供科学依据，而且有助于丰富亲缘地理学的理论基础。此外，在项目的资助下，已发表学术论文9篇，其中SCI收录7篇；授权发明专利6件；国家植物新品种2个；培养研究生1名。