恶性入侵植物紫茎泽兰种群遗传特性与入侵机制研究

Population structure of the invasive plants is one of the most fundamental factor affecting the invasion-extension mechanism. A comprehensive understanding the information of population genetic diversity and structures will help to clarify the molecular mechanism of its invasion, localization and rapid expansion. In this study, SNP markers of functional genes and microsatellite markers of the nucleus and organelles were developed for the invasive weed, Ageratina adenophora (crofton weed) through high-throughout sequencing technology. Genetic diversity of the native and invading populations are analyzed using these novel developed SNP and SSR markers. Genetic structures of these populations was compared to identify the region of origin, possibility of repeated invasions and number of times of invasion.This study will lay a foundation for further studies on the mechanism of invasion, process and ecological effects in theory, and also provide important message to develop effective strategy for ecological restoration and management.

针对恶性入侵杂草紫茎泽兰肆意蔓延与扩张危害的特点，围绕紫茎泽兰入侵种遗传特征导致竞争力增加、形成极度扩张的理论假设，利用高通量测序技术的高效开发细胞核和细胞器微卫星分子标记，结合重要功能基因的SNP 变异的基础上，重点研究：（1）紫荆泽兰原产地墨西哥种群与入侵地不同地理种群间的遗传结构；（2）比较原产地种群与入侵地各种群间的单体型差异，明确其入侵群体来源，全面了解外来入侵植物的群体遗传学参数，以期阐明紫茎泽兰入侵定殖和快速扩张的分子机制。在理论上，进一步阐明入侵种成功入侵扩张与其遗传特性的内在机制与联系；在实践上，为恶性入侵植物紫茎泽兰的生态修复与控制管理策略提供重要依据。

紫茎泽兰是一种世界性的入侵杂草，也是我国危害最严重的外来入侵生物之一，每年均造成巨大的生态环境破坏和经济损失。开发紫茎泽兰分子遗传学研究工具、明确其遗传变异和群体遗传结构、阐明其入侵地遗传基础，对揭示其快速入侵扩散的分子机制，对合理控制和治理均具有重要意义。本研究首先针对紫茎泽兰基因组资源和序列信息有限的问题，构建了紫茎泽兰的BAC文库，文库包含5万个克隆，并选择其中的1000个克隆进行了测序，结合基因survey测序，获得大量基因组序列，初步分析了紫茎泽兰基因组的结构特征，丰富了紫茎泽兰序列资源，建立其了基因组学研究的平台；其次，利用Pacbio三代测序结合RNA-seq技术对入侵地和原生地紫茎泽兰间的差异表达基因进行挖掘，共获得了15万条全长转录本，筛选出9,495条差异基因，差异基因显著富集于次生代谢物生物合成和植物信号转导，可能与紫茎泽兰的入侵和扩展相关，最后利用ePCR技术利用鉴定到1867个在入侵和原生地间存在多态性分子标记；第三，利用获得的大量序列，开发了120对紫茎泽兰特异的基因组SSR分子标记和40对EST-SSR标记，并对这些标记在紫茎泽兰的扩增效率和多态性进行了验证；最后，利用开发的紫茎泽兰特异SSR标记和通用性ISJ标记对入侵地和原生地紫茎泽兰种群的遗传多样性进行分析，发现在原生地墨西哥、澳大利亚、泰国和中国四个群体间的遗传多样性分别为0.2243、0.1350、0.0755和0.0658，说明在原生地材料的遗传多样性较入侵地的要高，而入侵我们的紫茎泽兰遗传多样性很低，暗示其入侵机制可能是单一群落入侵并快速扩张。本研究初步揭示了紫茎泽兰原生地和入侵地的种群结构和遗传变异，并建立起了紫茎泽兰基因组学和分子生物学研究的平台，为进一步阐明其入侵的分子机制奠定了基础，为制定合理有效的防控策略提供了有益信息。