基于群体基因组学研究隔离生境滇魔芋的演化及适应机制

Speciation and local adaption strategies in isolated habitat have been the hotspots in evolution studies. Because of karst islands among which most species distribute with patterns of small isolated populations as well as large - scale human disturbance, Southwest China makes the ideal region for evolutionary studies. Amorphophallus yunnanensis, which belongs to Amorphophallus genus, has thrived and mainly occupied in fragment habitat of Southwest China. In this study, A. yunnanensis will be selected as a case study to test the adaptation of plant species to isolated habitat. Based on comprehensive sampling, population genomic studies will be conducted with next-generation sequencing technologies. The research results could shed light on the patterns of population differentiation at neutral versus non-neutral loci and the key role of habitat adaptation in determining the population divergence. Additionally, the outlier loci detected by genome scan will be identified with the functional significance in terms of adaptation to special isolated habitat. Finally, we will discuss the genetic basis of adaptation of this species to such special habitat, which is useful for learning the mechanisms of species diversity and species sustainment in Southwest China and the scientific conservation of endangered Amorphophallus species in this area.

特殊隔离生境的物种演化及局部环境适应机制一直是进化研究的热点问题。由于我国西南喀斯特岛屿本身的特殊性、脆弱性及严重的人为干扰，该地区多数物种呈孤立的小群体分布格局，这使得西南地区成为研究隔离生境物种演化机制的理想场所。不仅如此，西南地区更是长期被研究人员认定为魔芋属（Amorphophallus）的多样性中心及起源中心之一。本研究以主要分布于西南地区的滇魔芋（A. yunnanensis）为对象，通过第二代高通量测序技术对滇魔芋进行群体基因组学研究，获取其基因组水平的遗传变异等群体遗传特征，检测不同地理群体间的遗传分化格局；通过基因组扫描鉴定与环境适应相关的异常位点或遗传变异，明确地理隔离与局部环境选择对群体分化的相对作用，揭示该物种特殊隔离生境下的适应进化机制。本研究结果对于深入理解西南地区植物多样性的形成及维持机制具有重要意义，且有望为云贵高原地区魔芋属内濒危物种的保护提供科学依据。

特殊隔离生境的物种演化及局部环境适应机制一直是进化研究的热点问题。由于我国西南喀斯特岛屿本身的特殊性，该地区多数物种呈孤立的小群体分布格局，这使得西南地区成为研究隔离生境物种演化机制的理想场所。为探究我国西南地区的代表物种滇魔芋（Amorphophallus yunnanensis）的演化及适应机制，在充分群体采样的基础上，本项目采用简化基因组测序（RAD-seq）对滇魔芋进行了群体基因组学研究，并利用叶绿体DNA片段（cpDNA）分析了滇魔芋野生群体的谱系地理结构。基于两种数据的遗传多样性分析均表明，滇魔芋的群体遗传多样性总体较低，群体间遗传分化较高。Mantel检测指出滇魔芋群体呈显著的距离隔离模式，这说明遗传漂变可能是该物种分化的驱动力之一。基于RAD-seq数据的群体遗传结构分析，将滇魔芋划分为东西两个聚类，这一分化格局与cpDNA数据的谱系地理结构基本一致。系统演化时间推断则表明，滇魔芋东西支系间的分化时间大约在12.33 Ma，而东部支系检测到了近期的群体扩张信号。结合在中间种群发现的遗传渐渗现象，说明东部群体可能在扩张过程中与西部种群发生了杂交渐渗的情况。在滇魔芋群体检测到了显著的环境隔离，且将SNP位点与环境因子的三个主成分（PC1、PC2、PC3）进行关联分析，分别发现了9、14、11个与环境显著相关的SNP位点。这些研究结果显示，除西南地区的隔离生境对滇魔芋的群体遗传分化产生了影响外，环境适应性进化也是滇魔芋的种群分化的重要推动力。本研究为理解西南地区代表性植物的遗传分化与适应机制提供了新的启示。