川滇高山栎遗传变异的地理分布规律及其对环境的适应研究

The climatic changes, especially those occurring in the Quaternary, have seriously affected the genetic structure of the current species at the population and species level through changing distributional range of the species and sizes of the populations. Therefore, genetic structure of one current species will be highly useful in tracing its demographic history and the further associated analyses with environmental will be helpful to understand distributional changes of this species in response to the past climatic changes. In this project, we aim to investigate the genetic variation of Quercus aquifolioides an evergreen tree species endemic to the Qinghai-Tibetan Plateau and adjacent area. We will use two genetic markers, maternally inherited Chloroplast DNA (cpDNA) and the bi-parental inherited nuclear DNA, to examine gene flow and species delimitation of this species and related congeners and then construct demographic history of this tree species. In addition, a multivariate approach correlating genetic markers and geographical variables through a canonical trend surface analysis will be applied to associate the genetic variation and geographic information. These results will provide important bases for revealing how alpine tree species responded to the past climatic changes in this area.

众所周知，第四季冰期以来的气候波动强烈的影响了多数物种的地理分布，进而影响了其种群和物种水平的遗传结构式样。因此，对物种遗传变异分布模式的研究可以追溯现代植物分布种群的动态变迁历史；通过关联分析遗传变异分布式样与地理信息的方法，能进一步阐述遗传变异地理分布及其与物种生态环境之间的相关性。本项目拟以中国青藏高原及其邻近地区特有的高寒森林树种川滇高山栎及其近缘种为研究对象，通过广泛的野外调查取样与分子谱系地理学的方法研究该树种天然群体在母系遗传的叶绿体DNA及双亲遗传的核基因组上的遗传变异，确定它们在居群内、居群间的分布格局，然后全面阐述该种的谱系进化历史；利用典范趋势面分析等方法将遗传数据和地理信息数据进行关联分析，勾画出该种遗传变异与生态环境的相关性，从而对该物种在未来环境变化下可能存在的分布区和种群动态有深入的理解。我们的研究结果将为深入研究常绿高山森林物种对过去气候变迁的响应提供基础。

生物多样性热点地区的物种形成历程总是与其特殊地质事件的造山运动和气候变化密切相关。造山运动与气候变化会加速物种的分化，但是我们一直缺乏其对世代周期较长、进化较为稳定的森林树种影响的研究。本项目以喜马拉雅山脉横断山生物多样性热点地区的主要森林物种川滇高山栎为研究材料，结合谱系地理学和关联分析方法探讨了该物种的历史种群动态、种内遗传多样性分布、形成机理及与环境的关系。.本项目通过两次为期60天的野外考察采集并研究了该地区58个种群，959个个体在四个叶绿体基因片段（trnH-psbA, rpS16; trnS (GCU) – trnT (GGU), and trnQ (UUG) – trnS (GGU）和11个核基因微卫星位点的遗传变异模式。我们首先通过结合种群遗传学、分子系统学、分子钟、祖先分布区重建和化石证据、生态位模型等方法推测了川滇高山栎的生物地理历史。其次，通过多元统计分析方法包括主成分分析（PCA）、典型相关分析(CCA)、冗余分析（RDA）等对遗传数据和环境变量之间的相互关系进行分析，揭示了川滇高山栎对环境的遗传适应性。.分子和化石证据表明川滇高山栎自晚第三纪起从青藏高原台面向川西高原迁移并到达了广义的横断山脉地区。该物种在整个分布区内遗传多样性较为稳定，横断山地区具有最高的遗传多样性并且经历了物种“爆发”但在西藏地区则经历了“灭绝-重迁移”的模式并且多样性最低。分子证据显示该物种具有有限的种子基因流和广泛的不对称花粉基因流 (FST = 0.98 vs 0.07)。.通过主成分分析、典型相关分析、冗余分析等多元统计方法我们对遗传数据和19个环境变量的相互关系进行了关联分析。结果显示川滇高山栎遗传组成和环境之间具有很强的相关性，这预示着川滇高山栎在长期进化中对青藏高原独特的气候因子可能已经产生了较强的适应性，而通过生物气候因子在8个典型轴上的特征值显示温度、季温、最暖季最高温、季降雨量以及最热季降雨量与之具有较高的相关性，显示了这些因子可能是维持川滇高山栎环境适应的主要驱动因子。.本研究通过整合谱系地理学和多元统计的研究方法揭示了川滇高山栎的动态进化历史及其遗传多样性的形成机理并揭示了环境因子在维系其遗传多样性中的作用，为深入理解该地区主要森林树种的动态进化历史和生物地理格局及其应对环境变化的命运奠定了基础。