西南山地及毗邻区特有经济树种泡核桃种质资源格局动因及栽培起源

The spatial distribution of germplasm, which is closely related to functional traits, genetics and environment, is a product of historical processes and contemporary environmental factors, as well as anthropogenic activities. An unresolved challenge in germplasm research is to disentangle and quantify the relative effects of these processes, which shape genetic and functional structure across species. In this study, we will study the economically and ecologically important Juglans sigillata, which is a regional endemic tree crop in the Mountains of Southwestern China and adjacent regions, as a study model to examine the functional trait and genetic diversity patterns, and their correlations with historical climate change and contemporary environmental factors using functional traits (eg. leaves, fruit etc.), genetic data (cpDNA sequence and SSR genotyping plus RAD-seq) and environmental data (geographical, climatic etc.), using a multidisciplinary approach combining community ecology, functional ecology, population genetics and species distribution modelling. The major objectives are: (1) to determine the distribution patterns of functional traits and genetic diversity; (2) to reveal the origin and domestication model of cultivated populations; (3) to unravel the spatial-temporal evolutionary history of the wild progenitor; (4) to disentangle and quantify the roles of environment factors in generating observed germplasm patterns, and the associations among trait, genetic and environment factors. The project will not only help us to understand the domestication model and germplasm maintenance mechanisms of tree crops, but also will provide valuable insights for the germplasm conservation and utilization of Juglans sigillata.

作物种质资源格局是在历史过程、当前环境要素以及人类活动的共同作用下形成的，是作物功能性状、遗传和环境耦合的结果。解析和量化作物功能性状和遗传资源格局形成的驱动因子及影响程度，是当前作物种质资源研究面临的一个重要挑战。本项目拟选取西南山地及毗邻区具有重要经济和生态价值的特有树种泡核桃为研究对象，基于性状、遗传和环境数据，综合运用群落生态学、功能生态学、居群遗传学和物种分布区模拟等多学科交叉的研究方法，通过性状和遗传的多样性和结构分析，厘清泡核桃种质资源格局；利用瓶颈效应检测和基因流估算，揭示栽培群体的起源模式；借助群体历史分析和物种分布区模拟，探究野生群体资源格局的时空演化过程；基于性状、遗传和环境的耦合分析，阐明作物种质资源格局形成的驱动因子及其影响程度。研究结果将不仅有助于加深对木本作物栽培起源和种质资源格局形成机制的理解，而且也将为泡核桃种质资源收集保存和挖掘利用提供科学依据。

作物种质资源格局是在历史过程、当前环境要素以及人类活动的共同作用下形成的，是作物功能性状、遗传和环境耦合的结果。解析和量化作物遗传资源格局形成的驱动因子及影响程度，是当前作物种质资源研究面临的一个重要挑战。本项目以我国西南山地及毗邻区具有重要经济和生态价值的特有树种泡核桃为研究对象，基于坚果形态、遗传和环境数据，综合运用群体遗传学和物种分布区模拟等多学科交叉的研究手段，解析了泡核桃的遗传资源格局及成因。通过全面的野外调查和群体遗传学分析证实西南山地及毗连区存在泡核桃和胡桃两个物种，两者在形态、遗传和生态位上存在明显的分化。泡核桃主要分布于东喜马拉雅南麓至云贵高原的温暖湿润地区，而胡桃则分布在林芝到拉萨的雅鲁藏布江流和三江并流以北的干旱寒冷环境；喜马拉雅、西藏东南和滇川藏交界区是两者的杂交区。基于微卫星和基因组数据的分析显示，栽培泡核桃可能是胡桃自中国北方经人为传入我国西南地区后，与野生泡核桃发生杂交，并导致叶绿体捕获，随后通过人为选择逐渐形成适应本地气候环境的优良栽培类型。群体历史分析表明泡核桃和胡桃约在1.2 Ma分化，此后，分别在更新世最大冰期和倒数第二次冰期时经历了瓶颈效应，但末次冰期以来，两个物种的有效群体大小保持稳定，这与末次间冰期以来两者的潜在分布区未发生较大范围变迁相吻合，未来气候变化不会对泡核桃和胡桃的分布范围产生大的影响。基于坚果性状的分析表明，泡核桃和胡桃的坚果性状差异明显，其中两者主要的差异性状包括坚果大小、质量和纵径等。通过微卫星遗传数据和环境要素的耦合分析，发现西藏东南、云南西南和贵州西部是核桃遗传多样性高的地区；核桃遗传多样性主要受海拔、纬度和气候要素的影响，随着海拔和纬度升高，遗传多样性降低；喜马拉雅山脉、滇川藏交汇区是泡核桃和胡桃分布的交汇区，两者的分异受到地理和生态障碍的共同驱动。研究结果将不仅有助于加深对木本作物栽培起源和种质资源格局形成机制的理解，而且也将为泡核桃种质资源收集保存和挖掘利用提供科学依据。