青藏高原极端环境下水毛茛(Batrachium bungei)适应性进化机制研究

The mechanism of adaptation remains a central problem in evolutionary biology. Current research mainly concentrates animals and Terrestrial plants, however, little research relate to aquatic plants. Aquatic plants represent a specific group adapting to water environmental conditions, and Qinghai-Tibet Plateau (QTP) provides an ideal natural laboratory for studies on adaptive evolution of plants under extreme environments. . On the basis of previous researches, we plan to study an aquatic plant species Batrachium bungei from Qinghai-Tibetan Plateau, using high-throughput transcriptome sequencing technologies, and integrating morphology, population genetics, ecological genomics methods. This project aims: (1) to test the characteristics of phenotype, genetic variation and expression difference of Batrachium bungei along altitude gradient, analyses the relativity of these characteristics; (2) to identify candidate gene involved extreme environmental adaptation; (3) to revel the mechanism and main forces of adaptive evolution of Batrachium bungei under extreme environments in Qinghai-Tibetan Plateau, and promote the research of adaptive evolution of aquatic plant under extreme environments.

适应性机制依然是进化生物学的中心问题，但相关的研究主要集中在动物及陆生植物相关物种，有关水生植物的研究相对较少。水生植物代表着一类拥有与水生环境条件相适应的类群，而青藏高原是研究极端环境下植物适应性进化机制的天然实验室。. 本项目将在前期研究的基础上，以广泛分布于青藏高原的沉水植物水毛茛为研究材料，利用高通量转录组测序技术，综合形态学、居群遗传学、生态基因组学等方法，在居群水平上，检测分析不同海拔梯度下水毛茛形态、遗传变异和表达差异的特征及其相关性，筛选适应青藏高原极端环境的候选基因，揭示驱动水毛茛极端环境下适应性进化的主要因子及其机制，为进一步研究极端环境下水生植物适应性进化的普遍机制提供实验与理论依据。

适应性机制依然是进化生物学的中心问题。极端环境下的生物则为研究适应性进化提供了独一无二的体系，而青藏高原是研究极端环境下植物适应性进化机制的天然实验室。但有关水生植物的研究相对较少。.本项目在前期研究的基础上，以广泛分布于青藏高原的沉水植物水毛茛为研究材料，探讨其极端环境下适应性进化的机制，并获得以下主要结果。.1、完成来自青藏高原20居群100份样本（每个居群5个样本）水毛茛RNA的采样、提取、转录组测序与分析；完成来自青藏高原26个居群26个样本水毛茛的叶绿体基因组测序、组装与分析；完成部分居群的lncRNA和代谢组测序。.2、发现随着海拔升高，水毛茛居群整体的遗传多样性趋于增加，表达多样性则趋于减少，居群之间和居群内部的遗传多样性与表达多样性呈显著且一致的负相关，遗传多样性和表达多样性共同塑造了水毛茛青藏高原适应性。.3、发现差异表达基因大多为光合作用和核糖体相关基因，而正选择基因大多与代谢相关，水毛茛高海拔的适应进化中遗传变异和基因表达调控可能在不同类别的功能基因中起着相对独立和相互平衡的作用。.4、发现辐射、海拔高度和最暖季降水是驱动水毛茛适应进化最主要的环境因子，同时，不同类型功能基因对不同环境压力表现出差异性的响应。.5、发现青藏高原水毛茛的群体遗传结构与地理分布密切相关，沿海拔梯度形成羌塘高原、念青唐古拉山脉和横断山脉三个明显的地理分布群体。.6、发现沿海拔梯度不同居群的水毛茛叶绿体基因组十分保守，没有正选择的位点，但叶绿体基因组的RNA编辑位点数目、编辑效率、编辑效应上出现了一定程度的分化。.7、发现水毛茛类黄酮代谢途径的查尔酮合成酶（CHS）等关键基因在高海拔居群显著富集，但在转水毛茛 BbCHS4 基因的拟南芥叶片中黄酮含量整体下降，p<0.01，BbCHS4 基因的功能验证还需进一步讨论分析。.8、发现分布在同一个群落中的水毛茛和篦齿眼子菜的功能基因在正选择与表达模式等方面存在适应性趋同，但其正选择基因和差异表达基因几乎没有重叠。