巨大半边莲 (Lobelia) 适应高山环境的分子机制研究

Plant adaptation to alpine environment has long intrigued biologists. In this proposal, we plan to explore the adaptation using 7 species of giant lobelias from East Africa and Asia. This investigation will be carried out with three works. (1) Gene expression and regulation: exploring the expressed genes and metabolic pathways of alpine species under low temperature treatment; (2) Adaptive evolution: exploring the positively selected genes of alpine species by estimating the selective pressure of orthologous genes; (3) Genome: exploring the function of repetitive DNA on adaption to alpine environment by comparing the content and types of the DNA among different species. We hope that this study will contribute to understand plant adaptation to alpine environment, protect alpine plants and explore genetic resources for improving cold or anoxia tolerance of plants.

植物对高山环境的适应机制是生物学家一直感兴趣的问题。本项目拟采用东非高山和亚洲高山沿海拔梯度分布的7个巨大半边莲 (giant lobelias) 物种，从三个方面探索其适应高山环境的分子机制。(1) 基因表达与调控：通过低温处理及RNA-seq，分析高山物种应对低温的重要基因与调控网络；(2) 适应性进化：从RNA-seq数据中筛选出直系同源基因，分析各基因所受自然选择，发掘在适应高山坏境中发挥重要作用的基因；(3) 基因组：通过genomic survey获得每个物种的重复DNA序列含量、类型，探讨重复DNA序列在适应高山环境中的作用。本项目有助于理解植物适应高山环境的分子机制，保护开发高山植物，发掘植物耐寒、耐低氧胁迫基因。

研究背景：巨大半边莲属于桔梗科、半边莲亚科。半边莲亚科包含30多个属，1200多个物种，是一个很有特色的类群。山梗菜组分布于亚洲南部、太平洋岛屿、以及东非高山地区。山梗菜组 (广义的巨大半边莲) 的不同物种既分布于低海拔地区，又分布于高海拔地区，能够适应东非高山极端的高寒环境，是研究植物系统进化以及植物对高山环境适应遗传机制的合适的材料。.重要结果和关键数据：为了研究巨大半边莲对高山环境的适应，1) 我们对来自非洲不同海拔地区的物种Lobelia aberdarica、Lobelia telekii等进行了转录组测序，查找直系同源基因，并分析了基因所受到的自然选择压力，以及不同基因在DNA序列上的差异性。通过上述分析我们找到了85个受到正选择压力的基因，进一步分析表明，这些基因与应对低温、紫外线胁迫、DNA修复等相关。2) 我们对不同的高山巨大半边莲开展了基因组survey分析。其结果发现，东非高山巨大半边莲基因组较大，在3.6-5.0Gb之间，基因组内存在大量的重复序列，例如，Lobelia bambuseti的基因组在3.6G，重复序列含量在94.0%。大量的重复序列是造成巨大半边莲基因组较大的主要原因，也是它们适应高山环境的主要机制。3) 我们采用18个叶绿体片段、1个核基因片段对半边莲亚科开展了详细的系统进化分析。结合其它人的研究工作发现，莲座状巨大半边莲是通过趋同进化演化而来的，通过多次扩散从而形成在非洲、太平洋岛屿上的分布；半边莲亚科的许多类群的分类还很混乱，例如Apetahia Baill.、Sclerotheca A.DC.、Cyanea Gaudich.是多系类群，还需要做进一步的形态与分子进化分析。.科学意义：这些研究对于理解半边莲亚科的分类和进化，理解植物适应高山环境的分子机制具有很重要的参考意义。