三种杜鹃花的交互自然杂交与种间生殖隔离的维持机制研究

Natural hybridization was assumed to play an important role in plant evolution and speciation. However most studies focused on limited number of hybrid zones which were very difficult to understand the prevalence and difference of natural hyrbidzation. Moreover, very fewer study cases were both involved in hybridization and reproductive isolation (RI), though RI had been well recognized to determine the dynamics of hybridization as well as the process of speciation. On the basis of our comprehensive field survey, Rhododendron delavayi, R. irroratum and R. decorum can hybridize with each other species and moreover many hybrid zones were investigated in the wild, representing a rare but with a great scientifc significance phenomenen termed "triangle hybridization". In this study, combining comparative methods of morphology, reproductive ecology, population genetics and genomics, firstly we aim to uncover the hybridization process of these hybrid zones within the same hybridizing pair and between different hybridizing pairs. Secondly characteristics of RI were clarified to better understand the barriers between species and how RI contribute to the dynamics of hybridization? This study will provide further insights on the maintaince of RI among mutiple species, even in the level of community.

自然杂交在植物进化和物种形成中具有重要作用，然而目前的研究主要集中在数量有限的某个特定的杂交组合。因而很难明确杂交模式的普遍性与差异性；同时尽管自然杂交与生殖隔离这两个方面关联密切，但目前的研究相对孤立；通过生殖隔离研究解析自然杂交与基因渐渗的案例相当有限。本研究基于长期的研究积累和野外调查，以杜鹃花属常绿杜鹃亚属中的露珠杜鹃(R. irroratum)、马缨杜鹃(R. delavayi)和大白杜鹃(R. decorum)交互自然杂交所形成的杂交区为研究对象，通过形态学、繁殖生态学、群体基因组学的深入比较研究，揭示同一杂交组合和不同杂交组合在不同的地理分布重叠区发生杂交的模式及其种间生殖隔离机制的异同；并通过关联不同杂交模式和生殖隔离强度以及作用阶段的异同，阐释各种杂交区杂交模式的维持机制。本研究将为理解种间杂交模式、多物种乃至群落水平物种的隔离与分化机制提供更全面的视角。

本项目基于804个样本的简化基因组测序（dd-RAD）数据，以亲本之一马缨杜鹃提升的基因组做参考，分析了13个居群（马缨杜鹃与露珠杜鹃10个居群，包含3个杂交区；马缨杜鹃与大白杜鹃的3个杂交区）的杂交模式与遗传特征。通过野外观察和授粉实验，量化了两个杂交组合亲本的生殖隔离强度。获得以下主要研究结果：（1）不同杂交组合杂交后代来源于亲本遗传物质的比例区别明显：露珠杜鹃和马缨杜鹃（前者）杂交后代来自双亲的遗传比例跨度较大，暗示回交以及亲本种间基因渐渗的频繁发生；而马缨杜鹃与大白杜鹃（后者）的3个杂交区的所有杂交后代含有双亲遗传比例接近50%：50%，暗示没有发生回交或基因渐渗。（2）对杂交后代鉴定发现，前者杂交后代F2比例较多，但遗传背景复杂。而后者的3个杂交区的所有杂交后代均为F2代。该结果支持杂交后代的双亲遗传组分比例。（3）传粉生物学观察表明：前者共享蜂类和部分鸟类传粉者；可能导致百里杜鹃区域大量的杂交后代产生；而后者共有蜂类传粉，但由于花期重叠较少，导致杂交后代产生较少。另外，杜鹃花一株会产生大量花朵，考虑到传粉者偏好临近花的访问，同株异花授粉在整个杜鹃花属植物的传粉系统里面非常普遍，进而导致了偶然产生的F1代通过同株异花授粉产生了目前检测到的F2存在。（4）通过种间授粉检测亲本合子后隔离发现，种间杂交亲和性与种内异交授粉的亲和性低，但没有显著性差异。（5）基于bgc的基因组渐变分析发现：3个杂交带共24个位点的值显著偏离0；其中推测与生殖隔离相关的共有位点4个；与适应性渐渗相关的共有位点20个。beta > 0的2个相关基因的功能注释显示与生殖相关，且涉及到合子前（花及花器官发育）和合子后（果实发育以及胚后发育）。暗示这些基因难以渐渗，推测其可能与亲本物种的生殖隔离相关。而beta < 0的3个位点得到基因注释，其功能富集显示：涉及到对环境的相应，暗示与环境适应相关的基因在亲本物种间更容易渐渗。