群体历史和生态分化对中国麻栎群体遗传变异分布格局的影响

Subtropical China is part of the Indo-Buma biodiversity hotspot and is characterized by complex topography, climate heterogeneity and high habitat diversity. Studies of population genetic structure and taxa divergence will help the understanding of the evolution of biodiversity and speciation in this region. Population history has a major influence on the distribution pattern of genetic variation, and disparity in ecological divergence of population can work to enhance the divergence between populations.In this project, we study Quercus acutissima Carr., an important forest tree distributed throughout subtropical China, as model species with geographic variation in genetic and morphological properties. For each individual sampled, we will employ geographic and ecological data in environmental niche modelling to infer the ecological divergence between populations. Meanwhile, we will apply the Next Generation Sequencing (ddRAD-Seq) to obtain genomic SNP markers. These markers will be used to assess patterns of genetic diversity, geographic structure and historical demography of Q.acutissima during the Quaternary climate oscillations. Integrating the genetic analysis and ecological niche modelling, we intend to reveal the influence of population history and ecological divergence in shaping the current genetic structure of Q. acutissima, which would shed light on the origin and maintenance of biological diversity in subtropical China.

亚热带中国地区具有复杂的地形、气候和丰富的植物资源。对该区域物种形成及分化历史的研究有助于我们理解该区域物种多样性的成因和动态机制。群体历史事件影响物种遗传变异的分布格局，而生态分化是物种产生适应性分化的主导因子。本项目选取广布于亚热带中国具有丰富的遗传和形态变异的重要森林物种麻栎，基于物种分布数据、生态环境数据建立检验生态分化的模型；利用基于NGS的覆盖全基因组的遗传标记结合遗传分析模型重建中国麻栎在第四纪气候动荡下的群体进化历史。探讨群体历史事件和生态分化对当前群体遗传变异分布格局的相对影响，该研究有助于揭示该重要森林植被物种适应性分化的生态和遗传学基础，也对理解其他栎类近缘种的遗传多样性基础、建立保护和利用策略有直接借鉴意义。

揭示植物适应性进化机制是进化生物学的重要议题。当下全球范围气候环境的剧烈变化对世界生物多样性的保护和维持形成了一个极大的挑战。物种的适应性遗传潜力在很大程度上决定了其是否能适应剧烈变化的环境。因此解析生态，地理，遗传因子等对物种群体分化的贡献是理解适应性进化形成机理的重要前提和理论基础。本项目选取广布亚热带中国分布的重要森林树种麻栎，结合生态分化模型检验，同质种植园形态性状观测以及覆盖全基因组水平的RAD测序结合遗传分析模型，重建了中国麻栎的群体分化历史，探讨群体历史事件和生态分化对麻栎群体遗传变异分布格局的相对影响，研究结果如下：..(1) 重建了麻栎群体分化历史，麻栎的东部与中西部群体大概在晚中新世发生分化，分化之后，两个群组分别经历了群体的扩张，但是具体的扩张时间和扩张程度有差异。遗传分化可能主要跟中新世季风气候变化相关，中新世末期季风气候的显著增强加强了麻栎群体东部和中西部的遗传分化，而当冰期来临时，麻栎不同组群的群体得以在一些有效的冰期避难所保存了其遗传多样性。.(2) 同质园的形态变异及种子性状变异分析表明麻栎两个组群在生物量和种子性状上有显著差异。东部群体比中西部群体表现出较高的茎生物量，较低的根生物量。同时东部群体的种子百粒重较高，相对中西部群体其种子含糖量也较高。相关性分析结果表明，年降雨量普遍较大的影响了两个组群之间观测到的形态差异。.(3)在778个异常位点中，有50个位点表现出显著地与降水量尤其是最干旱月的降水量显著相关。其中有23个位点可以定位到具体的功能基因上，这些基因为植物生长发育的重要功能基因。其中我们定位到一个与蔗糖转移酶相关基因与降水量显著相关，同时该基因的表现的功能差异在在形态变异上也得到验证。体现在东部群组的个体比中-西部群组个体相比具有较高的种子百粒重和含糖量。从而表明降雨量作为关键的环境因子决定了麻栎群体的形态分化和遗传分化。.本研究对深入理解森林树种的适应性分化的生态学和遗传学基础具有重要的理论意义，为揭示栎属植物适应性分化模式提供了重要参考数据，也对于理解中国亚热带地区生物多样性的起源和维持机制提供了重要研究实例。该研究鉴定到的与降雨量显著相关的适应性分化的功能基因，以及重要的形态功能性状，对于种质资源选择以及应对气候变化的移栽及群体重建策略的决定具有一定的指导意义。