基于种群基因组学的气候变化对铁皮石斛种群适应性机制的研究

Predicting the response of species to climate change accurately is conducive to effectively mitigate the persistent loss of biodiversity. Despite evidence that genetic variation in the species could mitigate climate change impacts within a certain range, genetic basis is rarely integrated into predictive models due to most of the non-model species lacking genomic data. Dendrobium officinale, the traditional Chinese medicine, distributes widely throughout the moderately damp mountain habitats of the subtropical and warm temperate zones of China. However, the population of Dendrobium officinale is declining due to the cliamte change. Integrating population genomics and environmental data, we would identify genomic variation associated with climate across the distribution range of Dendrobium officinale. The integration of genomic adaptation can increase the accuracy of future species distribution models and ultimately guide more effective mitigation efforts, which would be beneficial to the conservation of germplasm resources and genetic diversity of Dendrobium officinale.

准确预测物种对气候变化的响应机制有利于采取有效措施减缓生物多样性的持续丢失。尽管有证据表明物种可以在一定的承受范围内通过其内在的遗传变异适应气候变化的影响，但由于绝大多数非模式物种缺乏基因组数据，与环境适应相关的遗传基础很少整合到预测模型中。铁皮石斛是中国传统中药材，在中国亚热带和暖温带地区分布较广，但由于气候变化等因素的影响，铁皮石斛种群的数量正在逐渐减少。本项目中拟整合种群基因组学和环境数据，在铁皮石斛的分布区范围内鉴定与环境相关的基因组内基因适应的遗传基础，增加铁皮石斛适应未来环境变化分布模型预测的精确性，有利于铁皮石斛的种质资源和遗传多样性保护。

分布于不同环境的种群会对其相应的环境产生局域适应。但快速的环境变化可能会导致这些种群不能适应其相应的环境。基于全基因组水平上的遗传信息来理解渐渗和适应对非模式物种，尤其是濒危物种的适应机制和物种保护具有重要作用。铁皮石斛是中国传统的中药材，目前已经处于濒危状态，属于国家二级保护植物。为了阐明铁皮石斛种群的分化历史，并在基因组水平上理解铁皮石斛对目前环境的适应以及未来环境变化后基因组的脆弱性，我们对铁皮石斛进行了全基因组测序，并对铁皮石斛156个个体进行了全基因组重测序。通过基因组组装和注释，我们得到了1.127 Gb的基因组，包含29,038个基因。通过全基因组重测序，我们得到156个个体(25个群体)4.1Tb的数据。通过对重测序数据的SNP calling，我们得到了894,565个高质量的SNP。整合冗余分析(Redundancy analysis)和潜在因素混合模型(Latent Factor Mixed Models)分析，共鉴定到了大量的SNP位点与环境变量相关。我们发现云南曲靖师宗、云南广南、贵州三都和贵州独山等地的种群具有较低的基因组脆弱性，而其他区域的种群具有较高的基因组脆弱性。我们的结果表明铁皮石斛大多数群体所分布的区域已经不能适应未来环境的变化。这些结果解释了铁皮石斛自然群体濒危的原因，为铁皮石斛的物种保护提供了理论基础。