血红杜鹃复合体种系分化及适应性进化机制研究

The Pleistocene climatic oscillations would result in repeated episodes of contraction and expansion of geographic ranges of plant species, which promotes gene flow among closely related species or populations of the species associated with genetic diversity dynamic changes. It is likely the important mechanism of morphological and adaptive evolution. However, the precise mechanism of gene flow for persistence of genetic diversity and improvement of environmental adaptation is largely unkown. In this project, we will sample populations of Rhododendron sanguineum complex endemic to Hengduan Mountains to investigate levels of population structure, genetic diversity and gene flow as well as dynamics of population demography, and identify the important adaptive genes using technologies of SNPs assayed by restriction site associated DNA (RAD) sequencing and transcriptome sequencing employing next-generation sequencing (NGS) technologies. We aim to clarify the roles and correlations of gene flow, natural selection and phenotypic differentiation involved in processes of speciation and adaptive evolution of Rhododendron sanguineum complex, and explore the molecular mechanism of gene flow for persistence of genetic diversity and improvement of environmental adaptation. The study will provide new evidences of adaptive mechanism for species diversification, and also be the basis for scientifically sound proposals for the resource development and utilization of Rhododendron.

更新世的气环循环波动导致物种分布区不断收缩和扩张，促进了近缘种间或群体间的基因交流和遗传多样性动态变化，成为形态演化和适应性进化的重要驱动力。而基因流在维持物种遗传多样性和促进环境适应的分子机制尚不清楚。本项目选择横断山地区特有类群血红杜鹃复合体（杜鹃属）为研究对象，在群体水平上，运用简化基因组（RAD-seq）和转录组测序技术开展种群分化和适应性进化机制研究；通过群体遗传学和表达谱分析，确定其种群遗传多态性、遗传结构和基因流水平以及种群历史动态，同时鉴别重要的适应性基因，澄清基因流、自然选择和表型分化在种系分化和适应性进化过程中的作用和相互关系，以期揭示基因流在维持物种遗传多样性和促进环境适应性进化的分子机制。该项目的实施可为杜鹃属的种系分化的适应机制提供新证据，也可为该属植物资源开发利用提供理论基础。

物种形成与适应性进化机制是进化生物学研究的核心科学问题，基因流在维持物种遗传多样性与促进生态适应具有重要作用。本项目以分布于横断山的血红杜鹃复合体（Rhododendron sanguineum complex）及其同域分布的近缘种为研究对象，运用重测序和转录组测序方法开展其种系分化与适应性进化研究。本研究统计了血红杜鹃复合体8个居群94个个体的花和叶表型性状，并测定了94份叶片样品和62份土壤样品的元素含量；对该复合体76个个体及25个居群235个体（包括其近缘种）进行了转录组和基因组重测序。形态学、比较转录组学和居群基因组学分析结果表明：1）花和叶的表型性状在血红杜鹃复合体3个变种间无明显性状分化，花、叶的大小、厚度等数量性状不能很好的区分变种；2）血红杜鹃同域分布的3种不同花色变种的比较转录组学分析，鉴定出31个与花青素代谢途径相关的候选基因，主要功能发生在代谢通路后期，如糖基化修饰过程（GT）、甲基化修饰过程（MT）以及谷胱甘肽巯基转移过程（GST）；3）紫血杜鹃在不同海拔梯度的基因表达基本上按海拔分布聚类，表明环境对基因的表达可能起关键作用；4）血红杜鹃复合体3个变种的土壤元素和叶片元素含量均无明显分化，表明不同花色的变种对环境（土壤）的适应无显著差异，环境可能并不是决定花色变化的决定因素；5）糠秕杜鹃与血红杜鹃复合体之间存在明显的遗传分化，但部分个体的叶绿体基因与血红杜鹃复合体聚为一支，表明两个物种曾发生过基因流或渐渗；两色杜鹃可能是糠秕杜鹃与血红杜鹃复合体杂交产生的杂种，可双向杂交；高黎贡山和碧罗雪山的血红杜鹃复合体有明显的遗传分化，具有不同的遗传组成，而在高黎贡山分布的3个变种间无明显的遗传分化，而碧罗雪山的复合群已产生遗传分化，紫血杜鹃可能由高黎贡山的血红杜鹃迁移到碧罗雪山后，再与血红杜鹃原变种发生杂交而形成。种（变种）间的基因流变在维持物种遗传多样性，促进物种分化和生态适应过程中起重要作用。本研究为理解杜鹃花属物种多样化过程提供了重要科学依据。