杂交蟛蜞菊对不同环境胁迫的生理生态响应及其抗逆性的适应进化

The biological invasion of exotic species not only threats the biodiversity, the structure and functions of native ecosystem, but also influences the society and human health, and sometimes causes serious economic loss. Biological invasion is a process of adaptive evolution in which hybridization and introgression play an important role in promoting invasive species by changing their invasiveness. A natural hybrid between invasion species Sphagneticola trilobata and native species Sphagneticola calendulacea were found and identified in Southern China in 2013. Applicant’s results showed that the ability of resistance to drought or flood in hybrid is between it’s parents, however, it’s cadmium tolerance stronger than it’s parents. In this project, Sphagneticola trilobata, Sphagneticola calendulacea and their hybrid were selected as the research objects. Their physiological responses to different stresses (drought, flood or Cd stress) including photosynthesis, phytohormone content, antioxidative ability and relative resistance mechanism were detected.By using RNA sequencing, the expression genes relative to growth, photosynthesis and resistance mechanism is evaluated under different stresses. The mechanism of adaptive evolution in hybrid with different resistance to different stresses is elucidated by analyzing the coupling relationship between eco-physiological response and gene expression. The results will provide a reference for the study of mechanism of invasive adaptive evolution.

外来生物入侵不仅威胁着当地的生物多样性、生态系统的结构和功能，而且会严重影响社会和人类健康，造成重大的经济损失。生物入侵是一个适应性进化的过程, 自然杂交可以改变外来物种对环境的适应性并提高其入侵能力, 使其可能进化为新的入侵种。本项目以我国华南地区的常见入侵种南美蟛蜞菊与本地亲缘种蟛蜞菊天然杂交形成的新物种杂交蟛蜞菊及其亲本为材料，在项目申请人发现杂交种抗干旱或耐水淹胁迫能力处于亲本之间，但抗重金属镉胁迫能力明显强于亲本的基础上，进一步分析和比较水分或镉等不同胁迫下杂交种及其亲本的光合作用特性、抗氧化特性、激素含量变化、抗逆相关机制的变化，应用转录组手段分析不同胁迫下与生长、光合及抗逆机制等相关基因的表达变化，将不同胁迫下的生理生态变化与相关基因表达量的变化耦合起来，揭示不同逆境下杂交种较亲本显示不同抗性的适应性进化机制，为植物入侵的进化研究奠定理论基础，也能指导重金属超富集植物筛选。

以我国华南地区的常见入侵植物南美蟛蜞菊与本地亲缘种蟛蜞菊及其天然杂交形成的新物种杂交蟛蜞菊为材料，分析和比较了干旱、水淹、高温、低温及重金属镉等不同胁迫下杂交种及其亲本的光合作用特性、抗氧化特性、激素含量变化、镉离子吸收运输及分配特性以及与植物耐镉机制相关的有机酸、螯合肽等含量的变化规律，应用转录组测序手段分析不同环境胁迫下其生长、光合及抗逆机制等相关基因的表达变化，将不同胁迫下的生理生态变化与相关基因表达量的变化耦合起来，揭示了不同逆境下杂交种较亲本显示不同抗性变化的适应性进化机制，为植物入侵的进化研究奠定理论基础，也为重金属超富集植物的筛选提供指导。结果表明南美蟛蜞菊光合基因的高表达保证了其叶片的高光合能力，这可能是其成功入侵的内在优势之一；杂交蟛蜞菊根部吸收土壤磷与钾的能力明显高于蟛蜞菊；干旱处理下南美蟛蜞菊的抗旱能力最强，蟛蜞菊的抗旱能力最弱，杂交蟛蜞菊的抗旱能力介于两个亲本之间；水淹胁迫下蟛蜞菊和杂交种能够迅速形成不定根和通气组织，有效缓解低氧胁迫，叶片受损程度比南美蟛蜞菊轻；营养液水培及添加重金属镉斜坡处理后，杂交蟛蜞菊耐镉能力具有超亲优势；丛枝菌根真菌(AMF)能促进蟛蜞菊生长和对重金属镉的耐受性；高温下入侵南美蟛蜞菊的抗氧化系统，光合能力以及相关编码酶基因表达中仍保持较高的抗性能力，其应对高温这一调控机制的能力强于本地蟛蜞菊；低温下南美蟛蜞菊非叶器官的光合补偿机制可能是其渡过冬天低温是重要生存策略。揭示了只有在镉胁迫下杂交种呈现出超亲优势外，在其他研究的逆境条件下杂交种的抗逆能力都介于两个亲本之间，未有呈现出超亲优势，杂交种在未来全球变化条件下成为新的入侵种的可能性不大，但要关注其对本地种蟛蜞菊生存空间的进一步挤占和威胁。通过研究表明了本地种蟛蜞菊、杂交种具有富集镉的能力，属于超富集植物，尤其是本地种蟛蜞菊在接种AMF后耐镉能力及富集镉的能力有显著的提升，未来可能是一种较好的镉污染土壤或水体生态修复的重要种质资源，具有较好的应用前景。已经发表了有标注的研究论文19篇（本项目第一标注资助论文15篇），其中SCI收录论文18篇，获得授权国家发明专利2项。