喜旱莲子草与刺花莲子草表型可塑性比较研究

Phenotypic plasticity, the ability of a genotype to express different phenotypes across environments, is considered one of the major means for organisms to cope with environmental variability. Meanwhile, phenotypic plasticity is itself an adaptive strategy expected to evolve in heterogeneous environments. Even closely related species and populations with different genotypes may exhibit differences in environmental sensitivity and the patterns and extents of plastic responses. The regulatory factors and mechanisms related to the differentiation of plasticity among species remain largely unknown. Alternanthera philoxeroides and A. pungens are congener species, showing distinct differences in the degree of phenotypic plasticity in response to water availability. A. philoxeroides exhibited a significantly higher degree of plasticity and tolerance to waterlogging than its congener. Previously, we have conducted a series of investigation on the molecular underpinnings underlying the environment-induced plastic phenotypes of A. philoxeroides, and revealed the genes and pathways involved in phenotypically plastic variation. In this study, we aimed to detect the genetic factors associated with the interspecific variation in plasticity between A. philoxeroides and A. pungens, by comparing phenotypic responses to contrasting hydrological conditions and monitoring the change in gene expression patterns between species. Making use of modern comparative techniques to identify molecular determinants potentially responsible for variation in plasticity can provide clues to the evolution of phenotypic plasticity within an explicitly phylogenetic context.

表型可塑性指同一基因型对不同环境条件应答产生不同表型的特性，是生物适应异质环境的一条重要途径；与此同时，可塑性本身也被看作是对环境变异性的一种适应策略，不同物种、种群乃至不同基因型对环境变化的敏感性、发生可塑性变异的能力不尽相同。哪些因素、通过什么途径影响“可塑性”的表达和进化是目前普遍关注、但缺乏实证研究的科学问题。喜旱莲子草（Alternanthera philoxeroides）与刺花莲子草（A. pungens）是同属近缘种，但表型可塑性变异水平差异显著。前期我们已对喜旱莲子草表型可塑性变异的特点及相关分子基础进行了系列研究，初步揭示了与可塑性变异相关联的基因及其作用机制。在本项目中，我们拟对两个近缘种在不同水陆环境中表型可塑性变异的式样、变异水平和基因表达动态进行比较，挖掘与种间可塑性反应水平分化相关联的基因，为研究“可塑性”进化的基础和动因提供依据。

表型可塑性指同一基因型对不同环境条件应答产生不同表型的特性，是生物适应异质环境的一条重要途径，但不同物种对环境变化的敏感性和发生可塑性变异的能力不尽相同。哪些因素、通过什么途径影响可塑性的表达和进化是目前普遍关注、但缺乏实证研究的科学问题。喜旱莲子草（Alternanthera philoxeroides）与刺花莲子草（A. pungens）是同属近缘种，但表型可塑性变异水平差异显著。通过对不同水陆生境中喜旱莲子草和刺花莲子草表型变异式样和基因表达动态进行全面的比较分析，揭示了喜旱莲子草对水陆生境差异的表型可塑性响应实际是由不同层次可塑性变异耦合形成的、对不同环境因子作用的综合反应，包括早期的环境胁迫信号感受和应激反应以及后期的生长发育调整两个阶段。在可塑性响应早期，多维环境信号通过基因共表达网络中不同亚功能模块被感知，然后经由不同模块间的hub基因进行整合和传导，进而诱导可塑性响应后期与可塑性生长发育相关的亚功能模块的表达。信号感受和传导具有层阶性，而不同功能模块的调用具有时序性。模块间hub基因在不同层次多元/多维可塑性反应耦联和整合过程中发挥了重要作用，这些基因的缺失将导致不同基因或亚功能模块无法耦合在一起形成完整的可塑性反应网络结构，由此导致种间可塑性能力差异。该项研究的结果对于从Eco-Devo角度深入理解表型可塑性变异的发生机理、了解不同物种表型可塑性分化的分子基础、挖掘具有潜在利用价值的基因资源具有重要的参考意义。