亚洲栽培稻近缘野生种生态式物种形成过程中表观遗传变异研究

Ecological speciation, in which divergent selection arising from habitat heterogeneity play a dominant role in driving population divergence and reproductive isolation, has been supported by many lines of evidence in recent decades. Despite substantial studies, however, the role of epigenetic regulation in the ecological speciation remains unclear. With distinct differences in morphology, life history traits and habitat preference, Oryza rufipogon and O. nivara are two incipient species at the early stage of speciation and provide a unique model for studying ecological speciation. In this study, we construct the high-resolution DNA methylation maps of the two wild species by using the technology of whole genome bisulfite sequencing, and perform transcriptome profiling of the same samples by RNA-Seq. On these basis, we study the divergence patterns of DNA methylation during the process of ecological speciation, explore the relationships of the differentiation of DNA methylation with the genetic variation and expression divergence, and finally attempt to find the putative genes responsible for the key traits of phenotypic divergence of the two species. These studies not only help reveal the role of epigenetic regulation in the divergence of two Oryza species, but also provide further insights into genetics mechanisms underlying adaptive evolution and ecological speciation in plants.

生态式物种形成是新物种产生的重要方式。尽管已有大量研究探索其遗传机理，但对表观遗传调控在生态式物种形成中的作用仍知之甚少。Oryza rufipogon 和 O. nivara 在形态、生活史和生境偏好上存在显著差异，但二者遗传差异却很小，被认为是处于物种形成初期的一对姊妹类群，因此是研究生态式物种形成的一个很好的自然体系。本项目拟采用全基因组Bisulfite测序构建两野生稻高精度的DNA甲基化图谱, 并同时进行RNA-Seq转录组测序。通过对两个野生种进行系统比较，检测DNA甲基化在两个野生稻分化过程中的基本变异式样，探索DNA甲基化分化与DNA序列变异和基因表达分化间的关系，寻找控制两个野生稻适应性表型分化特征的关键甲基化位点以及关联基因。上述研究不仅有助于揭示表观遗传变异在两个野生稻分化中的作用，也为理解植物适应性进化和生态式物种形成的分子遗传机理提供了有益的资料。

生态式物种形成是新物种产生的重要方式。但是，生态式物种形成过程与机制仍不清楚。水稻Oryza sativa的野生祖先O.rufipogon和O. nivara是研究生态式物种形成的很好的自然体系。本项目首先通过表型、基因组与转录组调查, 揭示了两物种的分化式样。表型分析表明两物种区别明显,在18个性状上已产生显著差别，且具有适应意义。18个天然群体的重测序数据分析表明，O. nivara是多次平行起源于O. rufipogon, O. rufipogon群体遗传多样性显著高于O. nivara，但在物种水平,两者差别不大。O. nivara群体之间的遗传分化程度是O. rufipogon的4倍多。对O. rufipogon和O. nivara的驯化后代O. sativa的2亚种6个品种群的5个组织进行转录组分析表明，5个组织中有17.1-36.8% 的有效表达基因在两亚种间差异显著，约是其两个野生祖先种表达差异（3.12-5.38%）的十倍，也远大于亚种间序列水平上的分化（0.6%）。利用重测序与转录组数据研究了旱稻upland生态型平行驯化的进化机制，约10%的基因组序列以及30%的有效表达基因在upland和lowland间显著分化，且表达调控在upland的驯化过程中起着至关重要的作用。对upland受选择基因分析发现，约一半功能模块在两亚种间是共享的，表明upland的平行驯化在代谢通路层面上具有一定的平行性。然而，仅有2.2%的upland受选择基因在两个亚种间共享，说明upland的驯化在基因层面是不平行的。本项目还利用重测序数据，筛选出2711个与两物种分化相关的候选基因。结合表型分析的结果，确定开花通路在物种分化中起到了重要作用，因此，确定了37个水稻开花途径基因可能与O. nivara的花期提前有关，而花期提前是导致两物种合子前隔离的重要机制。本项目对老挝的一个O. nivara样本进行了测序和组装，并利用Pacbio三代基因组测序进行了甲基化分析。该基因组组装总长度403.63 Mb， Contig N50为11.78 Mb，Super-Scaffold N50 为33.06 Mb， BUSCO评价组装完整度达到98.26%。本项目为生态式物种形成过程与机制提供了新的见解，同时也为水稻以及其它作物的遗传改良和育种策略提供了理论参考。