松属近缘种适应性遗传分化的形成机制

Understanding adaptive evolution in forest trees is key for developing sustainable management strategies to meet challenges to ecosystem health and productivity. Genetic variation is the raw material that enables adaptation to novel or changing environments. Adaptation genetic variation enters a population in three ways: de novo mutation, ancestral polymorphism retained after speciation or population subdivision, and introgression with other species. Identifying the sources of variation and their relative importance has been constrained until now by the inaccessibility of high-throughput sequencing for most organisms. Pinus species are a fundamental component of forest ecosystems throughout the northern hemisphere and their abundant genetic variation, extensive introgression and significant ecological divergence make them a good system to study the mechanisms of adaptive evolution. In this study, we will focus on the closely-related species in Pinus sect. Pinus and will combine phylogenomics and population genomics to 1) reveal the sources of genetic variation during adaptive evolution, 2) identity the key environmental factors driving ecological divergence, and 3) detect the functional genomic basis underlying ecologically-relevant traits. This project will provide insights on how tree species evolved to their current environments, which may help us predict their potential to adapt to ongoing global change. This understanding can inform tree breeding programs to maximize resilience and productivity under future climate scenarios.

在全球气候快速变化的背景下，揭示林木适应性的形成和维持机制，对森林资源管理，森林生产力的提高和维持具有重要的理论和应用意义。遗传变异是生物进化的基础，自然选择作用于遗传变异从而塑造环境特异的适应性。适应性遗传变异可以通过三种途径产生：突变，祖先多态性分选和基因渐渗，但解析这三种变异来源对适应性分化的贡献难度很大，受研究体系和研究方法的制约。松属近缘种间遗传变异丰富、种间基因交流普遍、生态分化显著，是研究适应性分化机制的理想体系。本项目将油松组作为一个适应性演化整体，结合系统发育基因组学和群体基因组学分析，鉴别适应性遗传变异的主要来源，结合生态环境因子，鉴定与生态分化相关的功能基因，从而揭示适应性遗传变异产生的驱动以及维持机制。研究成果对林木良种选育和遗传改良策略的制定以及林木种群应对气候变化的经营和保护策略的制定有很大参考价值。

全球气候的快速变化正对物种分布和生物多样性产生深刻影响。气候变化导致局部物种灭绝的证据在动植物中广泛存在。澄清林木遗传多样性的起源和分布模式、适应性特征和遗传基础，预测森林树种如何响应气候变化，有助于理解气候变化的潜在威胁。本项目将油松亚组作为一个适应性演化整体，讨论松属适应性遗传变异产生的驱动及维持机制。主要研究内容和结果有：.（1）建立针叶树高效、低成本的外显子捕获测序技术及基于RNA-seq的群体基因组分析平台，实现全基因组水平编码基因的变异检测，这些方法在分子标记开发和基因分型上有广阔应用潜力，适用于多个针叶树树种。.（2）解析松属油松亚组遗传变异分布格局及其适应性进化的基因组基础.油松亚组各物种间存在着广泛的基因流，但种间界限限仅在油松、巴山松和黄山松间模糊。油松亚组各物种间生态位重叠的情况仅发生于具有显著地理隔离的物种间，地理上成交替分布的物种间均具有显著的生态位分化。松属广泛存在的基因渐渗可能对其快速适应性进化起到了重要作用。.（3）探究演化历史及地理景观对高山松空间遗传结构和生态适应性的影响.高山松分布区西缘的群体在未来气候情景下是最脆弱的。鉴于西部群体中遗传多样性比较低，针叶树的突变率低，并且有益新突变概率更低，在地域间基因流受阻的情况下，高山松原地适应快速气候变化的潜力有限。.本项目可为针叶树种适应性的遗传和生态基础提供了重要见解，并为遗传改良，种子调拨，种源选择，森林管理和物种保护提供了指南。