青藏高原极端环境下的植物基因组变异及适应性进化机制研究

诠释全基因组水平的遗传变异对于了解植物如何适应极端环境这一科学问题具有十分重要的意义。本项目拟应用群体基因组学、转录组和表达谱等方法研究西藏沙棘和山岭麻黄适应青藏高原极端环境的微进化过程与规律。通过对青藏高原所有分布区域的西藏沙棘和山岭麻黄居群进行高通量测序（RAD标签），进行单碱基核苷酸多态性（SNP）以及群体遗传结构研究。同时进行不同生境西藏沙棘和山岭麻黄转录组测序（RNA-seq）以及数字基因表达谱（DGE）分析，从而探讨不同生态环境条件下西藏沙棘和山岭麻黄基因组上的重要变异位点，通过基因组关联分析和适应性进化研究找出受到强烈正选择的基因，建立基因的互作网络，力求深入了解生物对青藏高原极端环境的适应机制。此外，建立与完善适用于植物基因组分析和适应性进化研究的新方法。为揭示青藏高原植物在环境变化条件下的适应性进化机制研究提供一个可资借鉴的范例。

本项目通过全基因组学和转录组学手段研究青藏高原极端环境下植物基因组多态性变异和适应性进化。项目主要内容包括：应用RAD-seq技术检测西藏沙棘的SNPs，以了解西藏沙棘的群体遗传多态性和遗传结构；检测西藏沙棘与适应相关的选择性位点和基因，探讨群体遗传结构和各种进化力量的作用式样；应用SSR分子标记和RNA-seq技术对山岭麻黄及其近缘种藏麻黄进行转录组测序，检测不同生态环境下山岭麻黄在转录组间的表达差异，了解相关基因的适应性进化规律；分析新的植物基因组（如高海拔的拟南芥和荠属以及蓝藻等），为今后深入开展青藏高原植物基因组变异及适应性进化机制研究奠定基础。项目的主要结果包括：1）完成了西藏沙棘群体的RAD-seq分析。已检测4个群体80个个体的SNPs变异，并通过PCA、等位基因频率分布及系统发育分析，确定了西藏沙棘群体的遗传结构；通过西藏沙棘小群体的RAD-seq分析和组装基因组比对，检测了青藏高原极端环境下该物种雌雄株的差异SNPs位点；2）完成了不同海拔高度山岭麻黄及其近缘种藏麻黄群体的RNA-seq分析。开发了SSR引物，对所获得的转录本进行了功能注释，发现两种麻黄群体的基因表达差异，筛选出山岭麻黄中具有明显适应性意义的基因簇及它们所参与的代谢通路；3）完成了西藏高海拔分布（4100 m以上）拟南芥的基因组分析。测定了该生态型全基因组序列，发现其具有较高遗传变异。采用溯祖分析和化石标定，估计该生态型与其他生态型的分歧时间为15 – 16万年，推测其分化可能是冰期气候和青藏高原隆起共同作用的结果。在北京和上海完成同质园实验，发现该生态型与其他生态型在分枝数和开花时间上的显著差异，检测出其调控通路和基因的正选择位点。该项目的完成为了解青藏高原极端环境下植物基因组变异和适应性进化提供了新的科学依据。