基于群体基因组序列的山胡椒孤雌生殖方式与群体遗传学研究

Lindera glauca is economic and ecological tree that widely distributed in the subtropical region, and wild populations could sexual reproduction and apomixes. It is of great significance to explore the key issues of population genetics for further exploration and utilization of elite germplasm and gene resources in L. glauca. Due to lacking of appropriate methods of research and publicly accessible databases of genome information, the current studies on molecular population genetics of L. glauca were restricted to the analysis of genetic diversity and genetic structure using a few microsatellite markers, without apomixes as a key factor, so the results are not comprehensive. This research proposes to use a large-scale-geographic population sample covering the distribution range of L. glauca, as research materials, obtain the variation information of genome sequence and develop SNP markers by RAD sequencing. Meanwhile, the research plans to identify individual ploidy in natural populations by flow cytometry. Then, the complex population genetic structure of the species was calculated. The aim of this research is to find out the population gene flow process, extent and time of genetic differentiation, and genetic relationship and evolutionary origin of natural L. glauca populations, with a discussion of its status and evolutionary significance of apomixes in population reproduction strategy. We anticipate the results could provide innovative insights on population gene flow process under dual modes (sexual reproduction and apomixes) of reproduction in L. glauca, while also serve as theoretical reference for genetic and breeding practice such as introduction, breeding, and utilization of elite germplasm resources, as well as the construction of genetic map.

山胡椒是一种广泛分布于亚热带地区的重要经济、生态树种，共存有性生殖与孤雌生殖两种繁殖方式，探究其群体遗传学关键问题对促进该物种种质资源的进一步发掘利用具有重要意义。由于有效研究手段与基因组信息的缺乏，迄今相关研究局限于少量微卫星标记进行的遗传多样性与遗传结构分析，且未考虑孤雌生殖因素，结果不具全面性。本研究拟以涵盖山胡椒自然分布范围的大尺度地理群体样本为材料，对其基因组酶切构建的文库进行高通量测序，以获取群体基因组序列变异信息发掘大量SNPs并进行个体分型。同时，利用流式细胞术确定研究个体的倍型情况。基于此，解析该物种复杂的群体遗传结构。本研究拟解决的关键问题是山胡椒自然群体基因流过程、遗传分化程度及进化起源，并探讨孤雌生殖在群体繁殖策略中的地位与进化意义。研究结果有助于理解该物种“混合繁殖方式下的群体基因流过程”，并为种质资源的引种、育种与利用，及遗传图谱构建等工作提供理论参考。

山胡椒是广泛分布于亚热带地区的一种果实富含油脂的潜在经济树种，并存有性生殖与孤雌生殖两种繁殖方式，探究其群体遗传学关键问题对促进该物种种质资源的进一步发掘利用具有重要意义。由于有效研究手段与基因组信息的缺乏，迄今相关研究局限于少量微卫星标记进行的遗传多样性与遗传结构分析，且未考虑孤雌生殖因素，结果不具全面性。本项目利用ONT+Illuminate+HiC技术首次获得了染色体级别的山胡椒雌株个体的基因组，其组装大小为2,092.2 Mb，约有65,145个蛋白编码基因。然后采集了包括中国、日本和韩国等地区（15个群体）在内的地理大尺度分子样本，通过Rad-seq测序方式发掘了395,410个单核苷酸多态性位点（SNPs），其平均测序深度为14.01~23.29×/个体，11.9~92.03×/位点。利用生物信息学手段分析的结果发现：山胡椒与近缘种山苍子最近的分化时间为14.90-23.18百万年，历史上经历过三次基因组复制事件，与其他已发表了全基因组的樟科物种相比独有1,049个基因家族；遗传结构认为东亚地区山胡椒可分为四个较大的亚群，包括2个中国大陆、1个中国台湾、及1个日本和韩国混合的亚群；孤雌生殖现象基本上在所有研究群体样本中都存在，且每个群体内多样性水平都在中等及以下水平；中国大陆地区的研究群体中雌雄比例严重失调，且雌株占了绝大部分；所有研究的自然群体都处于选择平衡状态，有效群体规模正在收缩；山胡椒物种的起源中心很可能为中国贵州省东北部梵净山至湖南省西北地区一带；只有中国大陆种群在近几千年的历史上遭遇过明显瓶颈事件；中国台湾与中国大陆种群的分化时间分别约在4,700年前，而韩国及日本种群与之分化时间都约在1.4万年前。