基于高通量测序技术的钻天柳系统发育与分子进化研究

As optimal materials for study of forestry genomics, poplar and willow serve as an important wood source and for landscape planting all over the world. However, the taxonomic status of Chosenia in Salicaceae has been unable to reach an agreement till now. As the single species of genus, as well as endangered species in northeast China, Chosenia has great value to be a model system for study of the origin, evolution and taxonomy of Salicaceae. In our project, large scale of bioinformation derived from forestry genomics project and the advantage of own resources have been utilized to analyze the genetic diversity and structure of different Chosenia populations based on high-throughput sequencing technology. With the in-depth analysis for transcriptome and whole genome of Chosenia individual, the potential value of genes and the divergent of genome structures have been explored between different species and genus, in order to reveal the evolutionary history and relationship in Salicaceae. On the other hand, this study can provide useful information for the protection of genetic resources of Chosenia. Meanwhile, the global resources of forestry genome will be significantly accumulated and the progress of Chosenia breeding will be efficiently promoted in practice.

杨柳树是全世界重要的工业用材及景观绿化树种，也是林木基因组学研究的理想材料。长久以来，杨柳科植物特别是钻天柳属的分类地位一直存在争议。而钻天柳是杨柳科唯一的单种属树种，同时也是珍稀濒危树种，对整个杨柳科的起源、进化与分类研究具有重要科学价值。本项目充分利用林木基因组计划产生的大量信息以及自身的资源优势，在基于高通量测序技术的基础上不仅在群体水平研究钻天柳种群遗传多样性及遗传结构，并通过个体转录组和全基因组的深入分析，在不同种属间探讨基因潜在功能和基因组差异结构，以期揭示钻天柳在杨柳科中的进化历史与进化关系，为钻天柳遗传资源的保护提供有益资料。同时显著增强我国林木功能基因的资源积累，有效促进钻天柳遗传改良进程。

钻天柳是我国珍贵稀有濒危物种，也是国家Ⅱ级重点保护野生植物，其在杨柳科的系统分类地位长久以来一直存在争议。本项目以柳树14个自然种和8个品种为材料，基于流式细胞仪检测了并分析了各个种质的核DNA含量（1C值），结果表明22份柳树种质核DNA含量1C值变化范围为0.38 ~ 0.90 pg，大部分种质个体间核DNA含量1C值存在显著差异（P < 0.05）。对钻天柳叶绿体基因组进行测序，拼接形成155,684bp的全基因组序列，共预测了130个基因，筛选到40条长重复序列和221候选SSR位点。通过叶绿体比较基因组发现，不同树种中LSC区域分化较大，且在IR-LSC/SSC边界区域存在明显的扩张与收缩，同时聚类分析表明钻天柳与柳属亲缘关系较近，应作为其中的一个种。对钻天柳10个种源142个个体进行SLAF测序，开发一批SNP标记并选择其中多态性的SNP标记进行遗传多样性与遗传结构分析，结果表明钻天柳10个种源遗传多样性较高，遗传变异主要来自于群体内，遗传结构分析142个个体可划分为三个类群。对钻天柳花、茎、叶、根进行混合全长转录组测序，得到95,940条高质量转录本，预测到48,174条CDS序列，鉴定出4,281个转录本为长链非编码RNA，同时检测到3,121个转录因子，并将50,073个基因注释到5个数据库。对钻天柳进行全基因组测序，经Hic辅助组装出染色体级别的scaffolds，基因组contig总长290.10Mbp，contig N50为1.1 Mbp，scaffold总长290.53Mbp，scaffold N50达到14 Mbp，GC含量为34.35%，BUSCO评估达到93.8%。通过比较基因组学分析可知，钻天柳与其他杨柳科植物保持高度的共线性，在杨柳科系统进化时，发生了一次基因组复制事件，同时经历了17个基因家族扩张事件，以及209个基因家族收缩事件。本项目开展钻天柳种群遗传多样性及遗传结构研究，有助于解析濒危成因，揭示树种或种群进化历史，为钻天柳遗传资源的保护提供有益资料；同时基于高通量测序技术开展钻天柳转录组与全基因组测序研究，将在理论上加深对杨柳科起源与进化的理解，在应用上揭示基因潜在功能及基因组内在结构，有效促进钻天柳遗传改良进程。