银杏不同避难所种群动态历史对第四纪气候振荡的特异性响应机制研究

Global climate changes exert enormous impacts on species distribution and demographic history. Co-distributed species, congeneric species, and infraspecific populations may not respond synchronously to the Quaternary climate oscillations in terms of demography. The idiosyncratic response occurred in a substantial array of plant and animal taxa across the Northern Hemisphere whereas its mechanism remains unclear. We proposed to test the two hypotheses, i.e., regional environmental effects and changing balance of host-pathogen coevolved interactions by re-sequencing refugial population genomes of the Cenozoic relic tree species, Ginkgo biloba. Testable infraspecific lineages will be defined based on statistical confirmation of divergence patterns. Demographic trajectories will be reconstructed for each lineage and each studied populations. Selective signals imprinted by cooling, drying and pathogens will also be detected both between lineages and between populations. Our results will not only promote the comprehensive understanding on evolutionary history and causes and processes leading to the modern pattern of genetic variation of ginkgo, but also gain new insights into mechanisms of both endangerment of Cenozoic relic plants and their concentration in the Metasequoia Flora in the context of global climate changes. Such knowledge will inform and ultimately support effective conservation efforts.

全球气候变化对物种分布格局和种群动态历史有显著影响，同域分布物种、同属近缘物种、种下不同种群的历史种群动态对第四纪气候振荡的响应并非完全同步，至少部分呈现出因物种而异的特异性响应（idiosyncratic responses），但其机制仍不清楚。本课题以中国特有的新生代孑遗植物银杏避难所种群为研究对象，拟采用种群基因组重测序方法，结合最新发展的统计模型，在证实谱系分化式样的基础上，通过全面准确重建谱系/种群水平的种群动态历史和检测低温、干旱、病原菌响应的自然选择信号，检验不同避难所种群动态历史特异性响应更新世气候振荡的局部环境差异、寄主-病原菌共生协同进化变换假说。研究结果不仅可更全面认识银杏的种群进化历史、遗传变异格局的形成过程和机制，而且可以加深对全球变化背景下新生代孑遗森林植物濒危机制乃至水杉植物区系集中保存新生代孑遗植物原因的理解，为其保护与管理提供科学对策。

全球气候变化对物种分布格局和种群动态历史有显著影响，种下不同种群的历史种群动态对第四纪气候振荡的响应并非完全同步，至少部分呈现出因地理谱系而异的特异性响应（idiosyncratic responses），但其机制仍不清楚。本课题银杏避难所种群为研究对象，利用染色体水平的参考基因组、全球545棵银杏大树的重测序和分布数据，鉴定了4种祖先遗传成分、3个避难所和1个天然混合群，并阐明了其全球分布格局的基本成因和响应第四纪气候振荡的种群动态历史，揭示了其良好的进化潜力，反驳了活化石的灭绝漩涡假说。同时，我们发现了谱系特异性的种群扩张事件，并鉴定了差异性选择的遗传信号和候选功能基因，从而支持区域环境效应和寄主-病原菌互作关系变换假说联合解释银杏谱系特异性的种群扩张。通过天目山不同海拔来源的银杏大树的剪枝实验，揭示了春季展叶物候的光温梯度响应可能是种群特异性响应的重要生态学机制, 进一步支持低温是局域适应的重要选择压。在此基础上，我们系统梳理了银杏的生物学及生态学特征、资源和数据，并构建了银杏生态基因组数据库（https://ginkgo.zju.edu.cn/），包括遗传、分布、样地、图像4个子库，作为银杏种质保护、数据管理、研究分析的多功能平台。研究成果不仅挑战了活化石进化历史和进化潜力的传统认识，为东亚地区生物多样性的形成机制提供新见解，同时对银杏种质资源的精准保护和利用也具有重要指导意义。本课题圆满完成3个预期研究目标，并在Nature Communication、Journal of Ecology等期刊上共发表高水平学术论文7篇。