胡桃属植物近缘种生物地理间断分布与物种形成模式研究

Two hypotheses have been proposed to explain the biogeographic disjunction between closely related plants in Eastern Asia and North America. One is that the Bering and North Atlantic land bridges acted as a highway for the temperate disjunct lineages, the North Atlantic land bridge beingespecially significant for the thermophilic elements. The second is that Asia-to-America and American-to-Asia directly of migration and dispersal pattern of the disjuncts.Inference of evolutionary histories is important to understand which forces have contributed to observed evolutionary patterns of natural populations and the conditions under which new species can arise. The genus Juglans includes allopatrically or parapatrically distributed species in China and North American.Here, we use tools of transcriptomics and molecular population genetics to reveal a detailed map of the spatial genetic structure of seven species (Juglans regia、J. sigillata、J. hopeiensis, J. mandshurica, J. cathayensis,J.ailantifolia, and J. cinerea) using next generation sequencings (NGS), multiple chloroplast genes, SNP, and nuclear genes（single copy and microsatellits）. We combine dispersal-vicariance analysis,Bayesian Binary MCMC, Dispersal-Extinction-Cladogenesis, Reconstruction Ancestor Model, and Ecological Niche Modeling analysis to examine species divergence history, hybridization, and adaptive evolution of Juglans plants in China and North America. We aim to discriminate between the two speciation scenarios described above and to investigate the relationship between speciation and previous climate oscillations.The reults will be used for germplasm resources, population genetic, evolutionary, and phylogeographic studies on non-model organisms Juglans.

两种解释东亚-北美生物地理间断分布模式：中新世时期路桥地理隔离及长距离迁移和扩散。通过物种群体进化历史能使人们更加深刻了解间断分布模式形成的因素以及新物种产生的机制。本项目拟以七个胡桃属植物为研究对象，利用转录组学与群体基因组学方法对该属近缘种基因序列进行单核苷酸多态性、差异基因表达等生物信息学分析，估算物种分化时间与间断分布格局。利用叶绿体DNA与核基因（单、低拷贝）遗传标记，结合扩散-隔离分化、贝叶斯、溯祖理论等诸多方法重建物种的群体进化历史与动态变化。微卫星标记分析我国胡桃属物种间基因渐渗与种内差异，利用古气候、化石数据与环境因子基于植物系统学方法，结合重建祖先模型和环境生态位模型研究该属的物种形成过程，揭示其遗传分布格局，检验物种分化的各种理论假设，阐明存在间断分布现象的原因与过去全球气候环境变迁的相关性。研究结果将为胡桃属植物生物地理进化历史与资源开发利用提供一定理论基础依据。

两种解释东亚-北美生物地理间断分布模式：中新世时期路桥地理隔离及长距离迁移和扩散。通过物种群体进化历史能使人们更加深刻了解间断分布模式形成的因素以及新物种产生的机制。本项目拟以胡桃属植物为研究对象，利用转录组学、群体基因组学、叶绿体基因组学、微卫星标记方法对该属近缘种基因序列进行单核苷酸多态性、差异基因表达等生物信息学分析，估算物种分化时间与间断分布格局。胡桃属植物五个物种（核桃，J. regia、泡核桃，J. sigillata、胡桃楸，J. mandshurica、麻核桃，J. hopeiensis、野核桃，J. catheayensis）进行了转录组测序工作，对转录组数据进行功能注释分析，并对设计的500多对引物中利用胡桃属30个群体筛选和开发了近120对EST-SSR引物用于后续群体遗传学及物种形成方面的研究。麻核桃是濒危保护树种，且仅狭窄分布于北京、天津和河北一带。单倍型网络表明，麻核桃的单倍型与日本核桃的单倍型不同。在核桃楸和核桃中，麻核桃有独特的单倍型，其遗传基因资源需要保护。利用叶绿体基因组学、群体基因组学和转录组直系同源基因对胡桃属植物进化历史研究结果发现我国五个胡桃属植物呈现明显的遗传结构，结果表明，胡桃属植物支持分支形态学和前期分子基础的两大组；核桃楸和野核桃在遗传上可以归并为一个物种，且存在一定遗传分化；麻核桃为核桃和核桃楸杂交种，且母系为核桃楸，父系为核桃。群体遗传学和谱系地理学研究结果表明：核桃在新疆（西北）、东北、华中）和西南存在多个冰期避难所；我国核桃群体可以分为三只古来支系，且两个谱系（A亚群和B+C亚群）在第四纪冰期（约1.13mya）分化约2.79mya，而中国西南部、秦岭和白山谱系在第四纪冰期（约1.13mya）分化。这些研究结果将为胡桃属植物生物地理进化历史与资源开发利用提供理论基础依据，也为木本植物生物地理学和群体进化提供一定参考价值。