基于转录组学喀斯特植物对特殊土壤生境的适应性进化研究

Adaptation to natural environment is a long interesting topic in the field of ecology and evolution studies. Plant adaptation to special edaphic types such as calcareous soils is a system ideal for studies in evolutionary ecology and satisfies key requirements for addressing mechanistic questions of adaptive evolution in nature. Limestone karsts are sedimentary rock outcrops that consist primarily of calcium carbonate. On karst surfaces, edaphic isolation produces a unique flora that includes many calcicoles. Because of their poor dispersal capabilities, plants have to adapt to highly alkaline conditions, thin soil layers, and drought conditions. Chirita is a typic group of kast plants which have well adapted to karst landform in south China. Using Chirita as a model system, we use next-generation sequencing(NGS)technique to study speciation and adaptive evolution of non-model plants. Firstly, we use Illumina platform to generate the transcriptome sequence of seven Chirita species, then we detect genes subject to positive selection between species and between different soil types; secondly, gene expression between ecotypes of C. eburnean sampled from calcareous and non-calcareous soils will be used to screen genes related to Ca2+ adaptation; thirdly, population genomes of a set of natural populations of C. eburnean represent it's full range will be inferred population history, natural selection and habitat differentiation of this species.

生物对自然环境的适应是生态学与进化生物学领域的一个热点问题。土壤环境是植物分布、分化和物种形成的决定性因素之一，特殊土壤生境的植物分布为研究植物对极端环境的适应和进化提供了理想的模式。喀斯特土壤生境富含钙（Ca2+）、镁（Mg2+）离子，呈中性至微碱性；基岩裸露率高，地表干旱。经过长期的自然选择，喀斯特地区的植物普遍具有适应高钙和干旱的能力。唇柱苣苔属植物是我国喀斯特地区一个典型的代表性类群，对该地区的特殊生境有很好的适应性。本研究利用新一代高通量测序技术在基因组水平上开展非模式生物的适应性进化研究。通过对唇柱苣苔属7个代表性物种的转录组测序，检测不同物种/土壤类型间受到正选择的基因；比较牛耳朵碱性/酸性土壤生态型的转录组差异，筛选与高钙适应相关的基因；采用群体基因组学方法揭示自然选择在不同土壤生境居群分化中的作用，深入探讨自然选择在唇柱苣苔属物种形成和居群遗传分化上的作用及意义。

生物对自然环境的适应是生态学与进化生物学领域的一个热点问题。土壤环境是植物分布、分化和物种形成的决定性因素之一，特殊土壤生境的植物分布为研究植物对极端环境的适应和进化提供了理想的模式。喀斯特土壤生境富含钙、镁离子，呈中性至微碱性；基岩裸露率高，地表干旱。经过长期的自然选择，喀斯特地区的植物普遍具有适应高钙和干旱的能力。报春苣苔属植物是我国喀斯特地区一个典型的代表性类群，对该地区的特殊生境有很好的适应性。本项目选择代表不同土壤类型、不同地理分布和系统发育位置的11物种，通过二代测序技术，获得了大量的转录组基因资源，检测了不同物种/土壤类型之间受到自然选择的基因；完成了华南苦苣苔科植物元素含量的分析，阐明了系统发育、气候、土壤等环境因子对植物元素含量的影响；测定了报春苣苔属100个物种的基因组大小，并整合其叶片功能性状，揭示了报春苣苔属基因组大小的进化式样及其环境适应性；开展了牛耳朵复合群的谱系地理和物种形成机制研究，揭示地理隔离是物种分化的主要驱动。本项目研究结果对于理解喀斯特植物多样性和特有性的起源与演化机制奠定了基础，同时在项目开展过程中，进行了大量的野外调查并发现多个新物种，对该类群的生物多样性保护具有重要意义。本项目建立起来的基因组数据库对今后苦苣苔科植物的系统发育重建、适应性进化和资源发掘利用积累了基础数据。相关研究结果发表了12篇论文，其中SCI论文11篇，包括在New Phytologist、 Functional Ecology、Journal of Biogeography、Molecular Ecology Resources等著名国际期刊论文。