中国入侵豚草种群开花时间适应性分化的遗传基础研究

Contemporary adaptive evolution can promote successful invasion and further spread. The adaptive evolution of life history trait, especially flowering time, can influence the invasive process and consequence. The impact of flowering time differentiation on fitness was confirmed in several studies. However, the genetic basis of such adaptive evolution was rarely studied. The genetic exploration on flowering time variation has been focused on model species, making it difficult for investigating other species due to limited available information on sequences and other regulatory pathways. Transcriptome analysis provides us fascinating opportunities to discover ample sequences and gene expression information. In this study, we focus on the genetic basis of flowering time differentiation in Chinese invasive populations of problematic invasive plant, Ambrosia artemisiifolia. Transcriptome analysis and relative real-time fluorescent quantitative polymerase chain reaction technique were used to compare the expressing genes and their expressive levels between the samples with different flowering time and samples from different populations, to investigate the genetic basis of flowering time differentiation, which can direct our further studies on the genetic basis of adaptive evolution.

入侵过程中的快速适应进化能够促进入侵的成功发生和进一步扩张。而生活史性状中开花时间的适应性进化对于外来物种的成功入侵和扩散具有重要意义。已有研究证明开花时间分化能够显著影响入侵种群的适合度。然而，很少有研究探讨生物入侵过程中适应性进化的遗传基础。目前人们对开花遗传通路的了解主要基于对模式生物的研究上。调查已知的开花通路相关基因一方面受到已知序列有限的限制，另一方面只局限在已了解的开花通路上。转录组高通量测序技术能够为我们提供丰富的序列信息，并能检测出不同样品间的差异表达基因。本实验主要研究中国恶性入侵植物豚草的入侵种群在扩散过程中开花时间分化的遗传机制。本研究采用转录组测序技术和实时荧光定量PCR技术，通过比较具有不同开花时间的样品和不同种群个体的基因表达情况，从而推测导致开花时间发生明显分化的遗传基础，为进一步研究基因水平上的适应性进化提供一定的指导依据。

本项目通过对来自不同纬度地区的豚草种群进行同质生物园实验和转录组分析研究，揭示了豚草入侵种群在中国境内大范围扩张过程中发生了适应性的遗传分化。同质生物园实验中豚草的开花时间与种群来源纬度之间具有显著的相关性。纬度越高，开花越早。转录组数据表明，在幼苗期，光周期通路的LHY基因和影响植物光形态发生的SPA1和HY5基因在不同的种群中表现出了显著的表达差异。在繁殖期前后，光周期通路的CIB1、FKF1、GI基因，赤霉素通路的GASA5、GAI基因，糖相关通路的ADG1、PGI1基因，自主通路的HTA8基因和SFR6基因，整合基因AGL15和AGL20，以及花分生组织基因AP2，在不同发育时期、不同种群之间表现出了不同的表达模式，并且这种差异性的表达模式表现出了一定的开花行为相关性。研究还发现ADG1基因和JMJ14基因在叶片和雄花序中表达差异显著。这些结果从遗传水平上证实了不同纬度区域的豚草在开花时间上发生了适应性的遗传分化，能够帮助我们推测导致豚草种群发生适应性分化的环境诱导因子，为我们下一步开展生态学控制实验提供重要依据，进一步明确豚草成功入侵的机制。此外，本研究获得了豚草的转录本信息和开花基因调控信息，丰富了非模式生物，尤其是短日照植物的开花调控通路的相关成果，对开花调控行为的研究具有重要意义。