基于基因组重测序研究三个栗属物种的适应性分化

Adaptive divergence among tree species, can enrich germplasm resources and is important in maintaining the health of forest persistently. Castanea mollissima, C. seguinii and C. henryi are endemic in China. They are naturally distributed in subtropical China (23.5°N-40°N) mainly. These three species bear distinct morphological traits and ecological niches, and are clustered into a monophyletic clade in phylogenetic tree. Thus, it provides a good model for understanding the process of adaptive divergence among tree species. Based on the reference genome of Castanea mollissima and advanced statistically genetic methods, we aim to re-sequence genomes of 100 individuals of three species, analyze the pattern of genetic divergence among three species at a population genome level, detect the key genes and alleles which underwent adaptively divergent selection through analysis of genetic diversity, annotate these key genes functionally by homology searching method. Based on the genetic diversity in the generated population genomic dataset, we will reconstruct the divergence history among three species and the demographic dynamics through comparing multiple statistical models, reveal the mechanism of adaptively species divergence. The results will deepen our understanding of the genetic basis of speices diversity in Castanea and the potential in adaptation to climate change, and these candidate genes we detected will be of important value in improving important traits of chesnut.

树木物种的适应性分化能够丰富种质资源，且是持续维持森林健康的重要方式。板栗、茅栗和锥栗是我国特有的栗属林木物种，其自然居群主要分布于我国亚热带地区（23.5°N-40°N）。这三个物种的性状和生态差异明显，且构成一个单系分支，是开展适应性物种分化研究的优秀模式系统。本研究拟以这三个物种的自然居群为材料，以已经发布的板栗基因组作为参考序列，利用基因组重测序和群体统计遗传方法，分析这三个物种在群体基因组水平上的遗传分化式样，应用遗传多样性分析鉴定受物种间适应性分化选择作用的关键基因和等位基因，并通过同源搜索方法注释这些基因的功能。基于群体基因组序列数据的遗传多样性信息，利用多种统计模型，模拟这三个物种的分化过程和群体动态历史，阐述其适应性物种分化机制。研究结果有助于深入理解栗属物种多样性的遗传基础和适应气候变化的潜质，鉴定的关键基因对于栗树重要性状的遗传改良有重要价值。

树木物种分化是提升林木资源物种多样性的重要方式。本项目以产于我国的三个栗属物种（板栗、茅栗和锥栗）为研究材料，使用基因组重测序技术获得研究数据，综合利用统计遗传方法、遗传多样性分析、同源搜索方法、溯祖建模分析等多种方法，拟研究3个物种的适应性物种分化过程。在执行任务时，我们收集了116棵栗属树木的叶片样本，并利用高通量测序方法获取它们的基因组序列，使用GATK4和ANGSD方法鉴定群体基因组变异，并对变异数据进行分析。利用ADMIXTURE和PCoA以及进化树重建等方法，本项目建立了3个物种演化的历史模型，结果表明，板栗和茅栗组成单系分支，具有更近的亲缘关系；峨眉锥栗变种具有与板栗、茅栗和锥栗原变种不同的遗传结构，其基因组信息来源于板栗和锥栗，是一个起源于板栗和锥栗杂交事件的分类群；板栗和茅栗间曾发生过杂交事件，并留下基因渗入的分子信号。我们使用PSMC和SMC++方法分析板栗、茅栗、锥栗原变种和峨眉锥栗变种的种群大小变化历史，结果表明，它们在过去的种群大小变化具有明显同步性，均在末次冰期时出现群体缩减并在末次冰期后经历群体扩张事件，因而该结果暂不支持适应性物种分化假说。利用板栗和茅栗构成单系分支以及峨眉锥栗杂交起源的结果，本项目鉴定板栗和锥栗间出现基因流下降信号的关键位点，并进一步筛选出峨眉锥栗基因组中亲本序列没有共存的基因组位点，将其作为板栗和锥栗间与生殖隔离关联的基因组位点，最后用这些关键位点的遗传数据阐明峨眉锥栗的杂交起源。物种间基因流信号下降等结果说明在3个物种分化过程中，可能存在适应性分化过程。板栗、茅栗和锥栗间的演化历史模型，可帮助理解板栗这一经济林木物种的起源，为板栗功能基因组学研究和进一步解析板栗栽培类群的驯化历史提供研究基础。本项目检验杂交起源假说和鉴定关键位点的方法，可用于其它物种形成和遗传多样性形成的研究工作中。