海三棱藨草在河口异质生境适应性分化的式样与机制的研究

The interaction between adaptive divergence (AD) and gene flow (GF) is a key to understanding ecologcial speciation and has been debated by evolutionists since the publication of The Origin of Species. Scirpus mariqueter is endemic to China, which occupies the intertidal zones of the Changjiang Estuary and the Qiantang Estuary and plays an important role in coastal ecosystems. However, this species is suffering a rapid decline of populations. In this program, the genetic divergence, dispersal, gene flow and spacial genetic stucture of S.mariqueter in different scales will be investigated using SSR loci; the values of Qst-Fst and the AD between populations will be estimated by the same experimental garden method and SSR loci; the relationships among salt density, GF, and AD will be analysed by comparing the fitness and phenotypic plasticity of typical adaptive genotyes and their hybrids cultivated in evironments with a salt gradient. Futhermore, the transcriptomes of the typical adaptive genotypes grown in high and low salt habitats will be sequenced by the Next Generation Sequencing, respectively, to find SNPs fixed by natural selection and potential genes to lead to the adaptive divergences between populations of S. mariqueter in different habitats. The final aim of the program is to understand the effect of heterogeneous habitat within population on the relationship between DF and AD and to highlight the pattern and mechanism of the AD of Scirpus mariqueter by integrating the genetic information of S. mariqueter in different scales with ecological factors, such as salt density, tide etc., population size, and the histories of alluvions and intertidal zones.

适应性分化与基因流的相互作用是生态成种或同域成种的关键，也是一个充满争议的问题。海三棱藨草是中国特有种，生长在长江口和杭州湾的潮间带上，在河口生态系统中具有重要功能，但目前其生存面临严重威胁。本研究利用SSR标记研究不同尺度上海三棱藨草的遗传分化、繁殖体迁移、基因流及空间遗传结构；通过同质园栽培比较种群间的Qst与Fst值，确定适应性分化的模式和大小；比较典型适应类型及其杂交后代在不同盐度下的相对适合度和表型可塑性，从而研究盐度差异、基因流与适应性分化的相互关系；利用新一代测序技术，分别对典型适应类型在低盐和高盐条件的转录组进行测序，筛选可能导致适应性分化的关键基因，并通过定量PCR检测其在自然群体中表达水平。将海三棱藨草不同尺度的遗传信息与环境因子信息、种群面积、滩涂和岛屿的历史数据整合，探讨种群内部生境异质性对种群间基因流与适应性分化关系的影响，揭示海三棱藨草适应性分化的式样与机制。

异质生境导致的适应性分化与基因流的相互作用是生态成种或同域成种的关键，也是一个充满争议的科学问题。海三棱藨草（Scirpus mariqueter）是生长在长江口和杭州湾潮间带上的特殊物种，在河口生态系统中具有重要功能，但目前其生存面临严重威胁。本项目详细调查了现阶段海三棱藨草的分布并收集、保存了该种的种质资源，开发了种特异性识别标记和SSR标记；利用AFLP、SSR研究海三棱藨草在分布区尺度和种群尺度的遗传分化、繁殖体迁移、基因流及空间遗传结构；通过同质园栽培比较来自不同生境的7个种群在3个盐度下、以及不同来源的6个典型基因型在5个盐度下的生活史特征及反应规范，同时利用RNA-seq技术研究了来自不同生境的两种基因型幼苗在低盐（0‰）和高盐（10‰）环境下的基因表达差异。结果发现：1）海三棱藨草在两个尺度的生境异质性（河口不同区段和同一地点不同高程）都对其遗传分化和空间遗传结构产生了重要的影响，体现在当盐度差大于>3，遗传分化水平与盐度差呈显著的正相关，而盐度差<=3‰的种群，则这一关系不存在，且不同高程的亚群体间也存在遗传分化，分化水平有些甚至接近或超过种群间的遗传分化；2）不同生境下的海三棱藨草种群和不同来源的基因型间生活史中的一系列特征，包括营养体特征和繁殖特征都发生了显著的分化，而且对盐度变化的反应规范也发生了显著的分化，但这些分化并未都与理论预测的适应性分化的反应规范一致；3）来源于不同生境的两个基因型其幼苗低盐（0‰）和高盐（10‰）条件下有十分不同的差异表达式样，共同发生差异表达且差异表达式样一致的unigene只有472个，有1842个基因存在基因-环境交互作用（G×E）的unigene基因共1841个；4）发现海三棱藨草的花序为雌蕊先熟而有利异交，但自交也有很高的可育性，但近缘的扁秆藨草的花序也是雌蕊先熟，但自花受粉育性很低。同时利用人工授粉的方式培育出海三棱藨草与扁秆藨草间的杂交种。