多倍体的起源研究——以高山特有种高蔊菜(Rorippa elata)为例

Polyploidization is one of important speciation modes which leads to polyploidy. However, our knowledge about the origin of most of polyploid species remains preliminary. Rorippa elata (Brassicaceae) is an ideal study system to answer the above question. It is an endemic polyploid complex mainly distributed in Hengduan Mountain in China. In this proposal, we will use populations of R. elata and its relative species, to (1) investigate the geographic distribution pattern of ploidy variation for R. elata and relatives based on flow cytometry and chromosome counting; (2) disentangle the potential parental origin(s) of R. elata by chloroplast phylogenetic and network approaches; and (3) restore the speciation model and demographic history of R. elata through genomic resequencing and whole-genome duplication analysis, including the construction of genomic synteny and orthologous gene trees among Rorippa species, drawing Ks plots for paralogous gene pairs within R. elata genome, and the estimation of population structure and demographic history of R. elata at genomic level. This study will provide us a valuable insight into the origin and evolution of polyploidy under extreme environment like high mountains in general.

通过多倍化形成多倍体，是物种形成的重要机制。但是目前对于多数多倍体而言，其物种起源过程并不清楚。十字花科植物高蔊菜(Rorippa elata)是高山特有的多倍体物种，主要分布在我国的横断山区，是研究特殊生境下多倍体起源的理想材料。本项目以高蔊菜群体及其近缘种为对象，(1)利用流式细胞和染色体计数方法，调查高蔊菜及近缘种的倍性分布格局；(2)通过叶绿体基因的系统发育和进化网络分析，确定高蔊菜的潜在亲本来源；(3)利用基因组数据和全基因组重复分析，构建高蔊菜和近缘种的基因组共线性关系和直系同源基因进化树，绘制高蔊菜基因组内旁系同源基因对间的Ks峰值分布图，探讨高蔊菜群体在基因组水平的遗传结构和历史动态等，以此来解析高蔊菜的物种形成机制并还原其群体扩散历史。该研究将为探讨高山特殊生境下多倍体的起源和进化提供有价值的参考依据。

多倍体是物种形成、基因组进化和生物多样性维持的重要机制，但多数多倍体是如何起源的尚不清楚。本项目以分布于横断山的两个成功的蔊菜属多倍体物种高蔊菜和沼生蔊菜为研究对象，通过整合物种形成建模、比较谱系地理分析和生态位重建，验证了两种多倍体的杂交起源，及在横断山区从南到北反复拓殖的群体历史。基于两年野外同质园实验的证据表明，在此过程中，多倍体种群的适应能力呈现出沿纬度梯度提高的趋势。上述研究结果支持多倍体成功进化的适应性假说，表明多倍体可以通过调整适应性来应对扩张过程中的选择压力。该研究是对多倍体适应性假说的实证检验，将为多倍体的适应性进化研究提供新的见解。此外，本项目还研究了葱属植物种内多倍体频率及生态分化对多样化的促进作用，为多倍体的进化研究提供了新的观点。在野外采样过程中，发现了蔊菜属新物种并将其命名为横断山蔊菜，是十字花科蔊菜属近十年来唯一命名的新物种。利用同质园实验，系统地研究了不同纬度高蔊菜的交配系统和繁殖保障，在居群水平探讨了其繁殖适应策略。依托本项目，我们自2019年起，逐步在云南香格里拉地区建立了3个不同海拔的野外同质园实验平台，为未来开展高山植物生态和适应性进化研究提供助益。