拟南芥属姐妹种间的生殖隔离及其分子机制与进化

Reproductive isolation is critical for speciation and maintaining biodiversity and ecosystem functions. The molecular mechanism and evolution of reproductive isolation has long been the spotlight in life sciences and Ecology and is becoming the new frontier in Evolutionary Ecology. Unilateral incompatibility (UI) is a unique mechanism to restrict gene flow among discrete populations in flowering plants, leading to prezygotic reproductive isolation among closely related species. Although similar cellular manifestations in incompatible interactions have been observed between UI and Self-incompatibility (SI) responses, the molecular mechanism and evolution of UI is just emerging. We found UI among Arabidopsis thaliana and its closely related species A. lyrata, A. arenosa and A. hellari. After 10 year intensive investigations on the evolution of mating system in the genus Arabidopsis, we obtained fertile progenies of inter-species hybrids and identified different S haplotypes to be used in generating populations to analyze QTLs underlying UI in both stigma and pollen sides. Our results show that a few major QTLs underly UI responses in both female and male sides. Backcrossing was used to generate populations for QTL analysis and will be further used to generate near-isogenic lines (NILs) for fine-mapping the major QTLs and to identify the underlying genes. Our findings will provide new insights into the molecular mechanism and evolution of reproductive isolation in closely-related plant species as well as speciation, and will also provide new avenues to circumvent the hybrid-incompatibility when inter-species crossings are utilized in crop breeding to pyramid elite traits from closely related species .

生殖隔离是物种形成、维持种间生物多样,进而影响生态系统功能的基础。生殖隔离的分子机制及其进化一直是生命科学和生态学的核心问题和进化生态学研究的前沿领域。单向不亲和（UI）是广泛存在于植物姐妹种间的一种独特的合子前生殖隔离现象，虽然与种内的自交不亲和（SI）反应在柱头和花粉的识别和排斥上的细胞学表现类似，但是关于UI反应的分子机制及其进化的研究则刚刚起步。经过10多年对拟南芥及其姐妹种交配系统演化的研究，我们发现了拟南芥及其姐妹种间的UI现象，突破了种间杂交获得可育后代及区分UI和SI反应等瓶颈，在拟南芥与A.lyrata 、A.arenosa和 A. hellari中建立了一个可用数量性状图位克隆来阐明UI决定基因及其进化的模式系统。本项目将深入揭示UI的分子机制及其进化机理，我们的研究不仅对物种起源及种间生物多样性维持机制,而且对克服作物远缘杂交时的杂交不亲和现象都将产生重要影响。

物种起源是生命科学研究的核心问题，维持植物种内遗传多样性的自交不亲和（SI） 与被子植物在白垩纪的辐射性扩散同时发生。因此有理论认为SI是被子植物在白垩纪的辐射性扩散的主要驱动力，但是支持这一理论的实验证据还很少。我们利用交互授粉实验发现拟南芥Arabidopsis thaliana及其同属近缘种A. lyrata, A. arenosa, A. hellari 及荠菜属近缘种 Capsella rubella 和 C. grandiflora 间存在双向亲和（BC），单向不亲和（UI） 及双向不亲和（BI）三种现象。单向不亲和 （UI） 现象广泛发生在自交不亲和（SI）和自交亲和（SC）种间，而且其强度不受花发育阶段调控。我们在SI 与SI物种间也发现UI，且UI的强度受花的发育阶段调控。我们发现UI的强度与种间的遗传距离成正相关，说明单向不亲和生殖隔离可能在物种形成过程中起重要作用。假性亲和（PSC）的A. lyrata的自然突变体在花的发育晚期SI反应减弱或消失，遗传分析表明PSC由一个与S-位点不连锁的隐性位点决定的。A. lyrata-A. arenosa 种间 UI 反应在PSC 突变体中也与SI 反应同时减弱或消失，表明UI与SI共享花粉排斥途径。遗传学分析表明 A. lyrata-A. arenosa 种间UI在柱头和花粉方面的UI分别是由一个数量位点（QTL）决定的。基因组QTL测序分析和QTL图位分析发现SUI3.1和 PUI2.1 分别是柱头和花粉上UI的决定因子。通过候选基因法，我们发现SUI3.1编码一个柱头指状细胞特异性表达的SLG家族蛋白，与SI的柱头自我花粉识别的决定因子SRK 的胞外域具有高度同源性。用A. lyrata的SUI3.1 转化拟南芥使其获得识别和排斥 A. arenosa 花粉的能力。通过转化不同的A. thaliana生态型, 我们证明SI花粉排斥途径和功能SRK对SUI3.1识别近缘种的花粉是必需的。另外，SUI3.1的高可变区序列在十字花科植物中具有种间多态性和种内保守性，因而具有区分姐妹种花粉的潜力。我们的发现不仅为白垩纪期间自交不亲和的起源是被子植物的辐射性扩散重要驱动因子的假说提供了实验依据，而且为揭示植物近缘种间花粉识别的分子机理奠定了基础。