荒漠植物红砂生态适应性进化的群体遗传学研究

It has become a cutting edge in both research fields, 'Molecular Ecology' and 'Evolutionary Biology' to examine and test genetic bases for organisms to be adapted to the diverse habitats in recent years. Reaumuria soongarica, a desert shrub, mainly distributed in western China, shows a distinct ecological distribution along the water availability. In this project, we aimed to examine sequence variation and genetic diversity of the chloroplast DNA and nuclear loci at the population level in this species. Then, we will discern the genetic patterns caused by demographic changes and natural selection, especially those at the nuclear loci. We will use all the population genetic data at the nearly-neutral loci to construct genetic patterns at geographical distributions and detect the relationships between the distributional variations of this species and past climatic changes; and then based on the data from non-neutral loci, to uncover the genetic bases of this species during its gradual adaptation to the ecological water gradients. These two lines of evidence will deepen our understanding the distributional shifts in response to climatic changes and natural adaptation to the ecological gradients of the desert plants.

利用多种群体遗传学数据和新发展的溯祖模拟等方法，检测和检验生物对环境适应性的遗传基础是近年来分子生态学和进化生物学的前沿研究领域。荒漠植物红砂主要分布在中国西部，具有明显的水分生态地理梯度分布格局。本项目拟检测该物种群体水平上叶绿体DNA和多套核基因座位上的DNA序列变异和遗传多样性；分辨群体扩张和自然选择导致的不同遗传结构式样，检测核基因座位群体遗传数据可能存在的自然选择信号；利用各类群体遗传学分析方法，解析该物种近中性分子标记所反映的地理遗传分化结构，探讨红砂种群分布与干旱区气候、环境变化的耦合关系；利用具有选择信号的核基因座位群体遗传学数据，揭示该物种逐渐适应水分梯度的生态遗传基础；综合上述两方面的证据，为理解荒漠植物在干旱区环境下气候变化导致的分布区变化和其本身生态适应导致的自然选择进化过程提供遗传学基础。

红砂是我国温带荒漠生态系统的建群灌木，在我国各大荒漠区都有广泛分布，具有显著的干旱区地带性特征和水热分布异质性。本项目利用多种群体遗传学数据和溯祖模拟方法，对红砂进行分子群体遗传学分析，探讨其对环境适应性的遗传基础。.通过物种范围采样，在群体水平上进行cpDNA 和nrDNA序列变异和遗传多样性分析，解析不同群体的种群扩张模式和历史，勾画中性和自然选择导致的不同遗传结构式样，检测自然选择信号；利用各类群体遗传学分析方法，解析该物种近中性分子标记所反映的地理遗传分化结构，探讨红砂种群分布与干旱区气候、环境变化的耦合关系；利用具有选择信号的核基因群体遗传学数据，揭示该物种逐渐适应水分梯度的生态遗传基础。取得如下重要结果：.1、cpDNA和ITS分子谱系数据揭示，红砂东西支系在~3Mya发生分化，与上新世末期青藏高原东北部的剧烈隆升有关。在冰期和间冰期红砂的生境都发生了显著片段化，说明季风气候能促进荒漠植物的种内分化。处于季风带种群快速增大，说明季风气候回旋加快了植物的进化速率。冬季风方向的母系基因流显著加强，导致柴达木盆地群体呈现遗传混杂现象，从而导致群体间遗传变异偏离距离隔离模型。.2、基于红砂转录组筛选到13个低拷贝背景基因片段，对41个红砂自然群体进行重测序分析，发现红砂可分为四个遗传支系：西部分支、北部分支、中部分支和东部分支，其中北部支系是东西部支系通过两次杂交而成，分别发生于~0.52Mya和~0.30Mya，该时期北疆的干旱化为东西两支侵入到新的生境而发生杂交提供了先决条件。.研究结果揭示了亚洲内部的干旱化过程和亚洲季风系统的演化对于荒漠植物的遗传分化和群体动态产生深远影响，为理解干旱区气候变化导致的分布区变化及其生态适应性分化提供遗传学数据支持。红砂种内进化历史包含分化-多次杂交过程，且支系间已发生显著生态位分化，这为生态物种形成提供了一个绝佳的研究模型和范例。