基于转录组测序的葡萄属欧亚支系系统发育和生物地理研究

Vitis is an important group both agriculturally and economically, with the classic disjunct distribution between New World and Eurasia. Our previous study indicated that subg.Vitis is divided into two clades of Vitis from New World and Vitis from Eurasia, which provides a phylogenetic frame for this proposal. The clade of Eurasia Vitis is a complex group, and riddled with difficulties in resolving its phylogeny due to widespread introgression and clinal variation masking the taxonomic boundaries, as well as rapid diversification and short histories of speciation. Previous studies didn't resolve the phylogeny of Eurasia Vitis, because several morphological studies phylogenetically disagreed each other, and analyses based on sequences of single and multiple genes did not obtain the well resolution of phylogeny. Though our previous study inferred that Vitis originated from the New World, the biogeographic history of Vitis in Eurasian continent is still unclear after it dispersed to Eurasia from New World. RNA-Seq technology which can provide large-scale gene sequences, is a powerful tool to resolve the deep relationships of complex and rapid diversification groups. In this proposal, we are to employ RNA-Seq to resolve the deep phylogeny of Eurasia Vitis at the genomic level, to infer biogeographic history of Vitis in Eurasian continent based on the confirmed phylogeny, and to infer the ancestor and origin of cultured grape at the genomic level.

葡萄属不仅在农业和经济上具有重要意义，也是典型的新世界和欧亚洲际间断分布类群。申请人前期研究表明葡萄属中的葡萄亚属分为新世界支系和欧亚支系，为本项目提供了一个基本框架。欧亚支系是一个非常复杂的类群，广泛的渐渗和地理渐变掩盖了分类界限，而且形成时间短、进化速率快，对解决欧亚支系的系统发育造成了很大挑战。传统分类处理彼此不一致，而单基因和多基因分析都不能对欧亚支系提供足够的分辨率，以至于欧亚支系的系统发育没有得到解决。申请人前期研究表明葡萄属起源于新世界，但它在欧亚大陆的生物地理历史不清楚。通过转录组测序（RNA-Seq）可以提供大规模基因序列信息，是解决复杂类群和快速分化类群系统发育的有力手段。本项目拟利用转录组测序方法对葡萄属欧亚支系进行分子系统学研究，在基因组水平上解决该支系的系统发育；推测葡萄属新世界起源之后，在欧亚大陆的生物地理历史；在基因组水平上推测栽培葡萄的祖先和起源。

葡萄科中葡萄属支系以及葡萄属，是葡萄科中系统发育关系最复杂和难以解决，同时又和栽培葡萄关系最密切的类群，具有重要的农业和经济价值。葡萄属支系的系统发育关系没有解决，葡萄属地理起源仍然存在争议，深度解析葡萄属内的系统发育关系依然面临挑战，葡萄属种类的形态特征（特别是毛状体）描述比较混乱，这限制了我们对葡萄属进化历史的理解和对有价值的野生葡萄资源的利用。本项目我们从三个方面对以上问题进行研究。.. 第一，利用7个基因重建了葡萄属支系的系统发育关系，并推测葡萄属的地理起源。葡萄属支系包括5个主要世系：葡萄属包括两个亚属；新世界的酸蔹藤属没有形成一支；A. erdwendbergiana和葡萄属是姐妹支系关系；多数亚洲酸蔹藤属的种形成一支，Pterisanthes聚在其中；Nothocissus与亚洲酸蔹藤及Pterisanthes是姐妹支系关系；非洲酸蔹藤属的种和几个亚洲种形成一支。推测葡萄属在晚始新世起源于新世界，然后迁移到欧亚地区；北大西洋陆桥可能是葡萄属从新世界到欧亚地区最可行的迁移路线。.. 第二，利用栽培葡萄全基因组为参考，对葡萄属38种进行了全基因组重测序，筛选出2068个单拷贝直系同源基因，建立了高支持率的系统发育树，很好解决了葡萄属（特别是欧亚支系）的系统发育关系。欧洲和亚洲类群的姐妹关系第一次被强烈支持。东亚葡萄分成4个亚支，第1-3亚支种类具有大叶型，植株高大茂盛、茎粗、攀援能力强的特征；第4亚支种类具有小叶型，植株较为低矮、茎细、攀援能力较弱的特征。推测东亚葡萄属的祖先是在华北和远东地区，然后迁移到华南和东南亚。.. 第三，研究了34种葡萄的毛状体多样性和分布，结果表明葡萄属主要有非腺毛和腺毛两类毛状体。非腺毛的毛状体类型中，带状毛和简单毛在不同的营养器官中都发现了；带状毛是扭曲、巨长和单细胞，这种类型可能是葡萄属和其近缘属的一种形态祖征；简单毛在葡萄属的绝大多数种类中有发现；腺毛是多细胞的。我们也发现刺葡萄的木质化刺状结构实质上是一种变形的腺毛。