基于表型变异与分子标记关联分析的鹅掌楸的保护生物学研究

Species’ extinction has been deteriorated by the ongoing global warming, and the ecological adaptability of species attracted considerable attention of conservation biologist and evolutionary biologists. Survived as the only Tertiary relict Liriodendron species endemic to Asia, Liriodendron chinense is now suffered from small, fragmented habitat and limited natural regeneration. Studies on the adaptation potential of this endangered species are still on its way despite accumulations on population genetic structure and phylogeographic history of L. chinense. Directed by the results of previous work, in this project, high genetic heterogonous populations of L. chinense will be studied in a common garden and through landscape genomic approaches. Adaptive variation in phenotype traits will be tested in the common garden experiments and outlier loci in the genome of L. chinense will be screened by genome-wide scans with functional EST-SSR markers. Association between phenotypic, genomic data and climate variables will reveal the adaptive genetic differentiation under different climate selective pressure and distribution pattern of adaptive loci, and further explore the genetic mechanism of local adaption in L. chinense. In view of biological characteristics of L. chinense, the results of this project will be used to infer its adaptive potential to cope with climate change, and further to aid in formulating and implementing conservation strategies for L. chinense and other endangered species.

当前全球气候变暖加剧了物种灭绝的速度，物种的生态适应性问题因此受到广泛关注。作为东亚地区仅存的第三纪孑遗鹅掌楸属植物，鹅掌楸（Liriodendron chinense）当前的野生残存居群规模较小，生境片断化严重，天然更新不良。有关鹅掌楸的遗传多样性及谱系地理历史的研究已取得一定进展，但对鹅掌楸的生态适应性的研究甚少。本项目在前期工作的基础上，对鹅掌楸的主要遗传异质区进行采样，通过同园栽培实验，探究鹅掌楸的适应性表型变异；采用功能性的微卫星标记（EST-SSR）对鹅掌楸进行基因组扫描，挖掘基因组内受选择位点；最后通过对鹅掌楸的表型变异与EST-SSR等位基因位点的关联分析，结合居群的气候因子，探究气候选择压力下鹅掌楸的适应遗传变异及分布格局，揭示鹅掌楸的生态适应性的分子基础，并结合鹅掌楸的物种特性，预测全球气候变暖条件下鹅掌楸的不同居群的命运，为鹅掌楸等珍稀濒危植物的有效保护提供科学依据。

历史气候动荡及当前全球气候变暖加剧了物种灭绝的速度，物种的生态适应性问题因此受到广泛关注。探究历史气候动荡对珍稀濒危植物当前遗传格局的影响以及当前气候条件下表型性状的生态适应性分化具有重要意义。本项目以第三纪孑遗植物鹅掌楸(Liriodendron chinense (Hemsl.) Sarg.)为研究对象，在进行大范围取样的基础上，利用叶绿体基因组非编码区（psbJ-petA, rpl32-R-ndhF, trnK5’-matK）序列信息对40个鹅掌楸居群进行了谱系地理格局分析，结果表明鹅掌楸在其分布区内存在东部、西南部和西北部三个主要的冰期避难地，并在西部的武陵山及大娄山地区存在早期的遗传资源交汇，形成鹅掌楸的遗传多样性热点地区，并与鹅掌楸的现代分布中心一致。选取来自于3个主要历史遗传异质区及不同环境梯度下的10个鹅掌楸居群，收集种子播种进行同园栽培实验。筛选出73对不同来源的EST-SSR引物对鹅掌楸进行全基因扫描，最后将表型性状与分子标记进行关联分析。研究发现，鹅掌楸在不同地区存在明显的表型性状的差异变化。在西南部地区，鹅掌楸居群具有较小的遗传分化和典型的表型性状分化，表明歧化选择起主要作用，而在西北部地区的鹅掌楸居群更倾向于固定的表型性状，表明此地区的鹅掌楸群体处于稳定的平衡选择之中。适应性相关联位点的挖掘可揭示鹅掌楸的适应性表型分化。最后，比较分析鹅掌楸属两姊妹种分布区气候因子的差异，发现温润的冬季气候有利于鹅掌楸属物种在北美地区的较高纬度的分布。对鹅掌楸属进行全球范围内的生态位模拟显示此属物种拥有更大的生态适合区域。本项目的研究结果可为全球气候变化条件下鹅掌楸等珍稀濒危植物保育和利用提供一定的理论依据。