地黄属四倍体物种形成及栽培地黄起源研究

Polyploidization, a major mechanism of speciation in plants, is more and more concerned. However, it is still remained unexplored for the speciation of tetraploid species in Rehmannia and origin of cultivated Rehmannia glutinosa. Based on data of chloroplast genomes and transcriptomes generated by next generation sequencing, we screen out multi fast-evolving gene regions and data of SSR from two genomes(chloroplast and nucleus); and carry out studies on phylogenomics, moculear systematics, phylogeography and population genetics of Rehmannia and cultivated varieties of R. glutinosa, based on the selected data. We will reconstruct the phylogenetic relationships of all species within Rehmannia, including cultivated varieties of R. glutinosa and other species of Rehmannia, detect the genetic diversity and population genetic structure in wild and cultivated variety of R. glutinosa, and then unravel mechanism of tetraploid speciation in Rehmannia and the origin and domestication history of cultivated R.glutinosa. The present study will not only reveal tetraploid speciation in Rehmannia, the genetic basis of cultivated R. glutinosa, but also provide the important foundation for protecting the germplasm resources of Rehmannia and breeding high-quality varieties of cultivated R. glutinosa.

在植物进化过程中，多倍化物种形成机制越来越受到广泛关注。但地黄属的四倍体物种形成机制及栽培地黄的起源仍不清楚。本研究拟通过叶绿体基因组和转录组测序，筛选高变异的多个基因片段（来源于叶绿体基因组和核基因组）和微卫星分子标记联合，对地黄属（包括所有种类和栽培地黄的品种）进行高密度的群体取样，开展叶绿体基因组学、分子系统学、谱系地理学和群体遗传学研究。构建地黄属内的物种间系统发育关系，栽培地黄与地黄属其他物种间系统关系，分析野生地黄和栽培地黄的群体遗传多样性及遗传结构，全面揭示地黄属的四倍体物种形成机制，栽培地黄品种形成及中药地黄的栽培起源（包括驯化历史，起源地及起源方式）。本项目的完成不仅解决地黄属内四倍体物种形成问题，揭示栽培地黄道地性的遗传基础来源，而且为地黄属植物种质资源保护、及栽培地黄优良品种的选育提供重要的理论基础。

项目组基于6个单拷贝核基因片段的联合，ISSR分子标记，叶绿体全基因组序列分析，高分辨率的叶绿体基因片段筛选（6个叶绿体基因和1个核基因片段）联合，同时全国大范围的地黄野生与栽培群体取样，构建分子系统发育树，结合地黄属和崖白菜属物种的地理分布区域联合分析。结果表明：（1）地黄属四倍体物种茄叶地黄可能由二倍体物种湖北地黄自然加倍形成，地黄为异源四倍体，其父本可能来源湖北地黄，母本可能来源天目地黄或裂叶地黄，中国的神农架和巫山区域可能是该属物种起源分化的中心。（2）ISSR分子标记技术揭示地黄野生群体比栽培品种具有更高的遗传多样性，河南分布的地黄野生群体的遗传多性高于其他地区，与其作为栽培地黄的道地产区，具有一定的相关性。地黄野生群体间亲缘关系与其地理分布格局并无明显相关性。（3）地黄野生群体与栽培品种叶绿体基因组均具有1个典型的四分区域结构，包括1个大单拷贝区（LSC）1对反向重复区（IR）和1个短单拷贝区（SSC），全长介于153,240-153,852 bp，6个地黄栽培品种样品的叶绿体基因组序列完全一致，均为153,499 bp。叶绿体基因组数据支持怀地黄栽培品种可能起源于温县的地黄野生群体。（4）进一步扩大取样范围(包括115个样品），基于地黄叶绿体基因组筛选出的6个叶绿体基因片段（trnH-psbA、trnS-trnG、rpoB-trnC、trnP-psaJ、rpoC1、petB），然后与核基因ITS片段联合。怀地黄栽培品种与河南温县（XZ1710）、山西襄汾（XZ19218）的野生地黄群体聚在一支具有99%支持率，然后又与野生地黄群体XZ19185（河北武邑）聚为一单系分支，具有76%支持率，支持它们之间亲缘关系较近。由于河南温县和山西襄汾均为栽培地黄主要产区，而河北武邑隶属于衡水（古称冀州，宋代曾作为地黄栽培品种的道地产区）。因此，我们推测地黄野生群体河南温县（XZ1710）、山西襄汾（XZ19218）和河北武邑（XZ19185）可能参与了怀地黄栽培品种的起源。本项目的完成为地黄属植物种质资源保护、及栽培地黄优良品种的选育提供重要的理论基础。