杜鹃属粉红爆杖花杂交物种形成与适应性进化研究

The mechanism of speciation and adaptive evolution is one of the key scientific questions in evolutionary biology. Investigation of population structure and reproductive isoloation of hybrid zones will help to understand the process of hybrid speciation and adaptive evolution mechanisms. However, the precise mechanisms of adaptive evolution associated with genetic, ecological, morphological and reproductive isolation in plant speciation are largely unkown. In this project, multiple natural hybrid zones of hybrids Rhododendron ×duclouxii and two parent species will be selected here. We will investigate the population structure, introgressive hybridization, reproductive isolation mechanism and fitness using a range of techniques including chloroplast DNA regions, SNPs assayed by restriction site associated DNA (RAD) sequencing employing next-generation sequencing (NGS) technologies together with pollination biology, reproductive biology, population genetics and ecological niche modeling. We aim to investigate processes involved in hybrid speciation and adaptive evolution of R. ×duclouxii, and to address the roles of genetic, reproductive and ecological factors in these processes by employing a combination of analytical approaches. The study will be very important for deeply understanding the mechanisms of hybrid speciation of Rhododendron, and also be the basis for scientifically sound proposals for the resource development and utilization of Rhododendron.

杂交物种形成与适应性进化机制是进化生物学研究的核心科学问题之一。研究自然杂交区内种群遗传结构与生殖隔离机制有助于深入理解杂交物种形成过程及其适应性进化机制。以往研究对遗传、生殖隔离、形态分化和生态因素等导致的物种形成和适应性进化的内在机制关注不够。本项目拟选择杜鹃属自然杂种粉红爆杖花及其亲本种为研究对象，运用叶绿体DNA片段测序和简化基因组（RAD-seq）测序技术，综合群落调查、传粉生物学、繁殖生物学和生态位模拟等多学科研究手段，对其自然杂交区的种群遗传结构、生殖隔离机制和适合度等开展综合研究，阐明遗传、生殖隔离、形态分化及生态因素等在杂交物种形成过程中的作用及相互关系，以期揭示粉红爆杖花同倍体杂交物种形成过程中种群遗传分化及其适应性进化机制。该项目的实施可为杂交物种形成机制提供新证据，同时有助于深入理解杜鹃属物种多样化形成机制，也可为该属植物资源开发利用提供理论基础。

杂交物种形成与适应性进化机制是进化生物学研究的核心科学问题之一。研究自然杂交区内种群遗传结构与生殖隔离机制有助于深入理解杂交物种形成过程及其适应性进化机制。本项目以杜鹃属自然杂种粉红爆杖花及其亲本种为研究对象，基于叶绿体DNA片段测序和简化基因组（RAD-seq）测序分析，整合群落调查、传粉生物学、繁殖生物学和形态分化等多学科手段，对其多个自然杂交区的种群遗传结构、生殖隔离机制和适合度等开展综合研究。本研究对8个杂交区318个个体进行了简化基因组测序，并对307个个体进行了形态性状的测量。开展了4个杂交区12个样地的群落调查，测定了研究类群58个个体的功能性状和58份土壤的理化性质，并完成了传粉生物学和繁殖生物学的研究。基于群体遗传学、形态分化、地理隔离和生殖隔离的分析，得到主要结果如下：1）基于ddRAD的遗传结构分析表明，两个亲本种爆杖花与碎米具有不同的遗传组成，杂种粉红爆杖花为两个亲本种混合的遗传组成，证实其为爆杖花与碎米花杂交产生，且杂交后代组成复杂；叶绿体序列分析显示杂种具有更高比例的碎米花单倍型（78%），表明杂交双向且不对称，碎米花更倾向作为母本；2）不同杂交区具有不同的遗传结构，呈现出地理格局，杂种形成独立发生，基因流和地理隔离共同决定了杂交区亲本居群间的遗传分化与遗传多样性水平；3）形态性状分析表明粉红爆杖花与两个亲本种在表型性状上明显分化，与碎米花更为相似，与基于遗传的聚类结果一致；杂种的表型性状的分化与变异受遗传与环境因子共同作用，表现出比亲本种更强的适应性；4）群落数据分析表明，粉红爆杖花与亲本种在功能性状上存在明显分化，与亲本种的土壤微生境也存在一定的差异，有利于杂交种种的形成；5）传粉生物学和繁殖生物学研究表明，亲本种与杂种间发生了传粉者的分化；亲本物种间不完全的合子前隔离障碍导致的杂种的形成，但亲本物种间不存在合子后隔离障碍，亲本种间不完全的生殖隔离促进了杂种的形成和维持，并延迟了杂交物种的形成。研究结果表明，遗传、生殖隔离、形态分化和生态因素等共同影响物种杂交形成过程和适应机制，对理解杂交物种形成过程与适应性进化机制具有重要的科学意义。