基于群体基因组学研究菥蓂适应极端海拔差异的演化过程和遗传机制

Understanding how organism adapt to distinct environments based on genomics level can make a significant contribution to evolutionary ecology. Thlaspi arvense is an emerging model wild plant distributed across an elevation range of 4,500 m, for which a complete genome sequence has been released. In the previous work, we have collected most materials of Thlaspi arvense populations in China, and preliminary studied the phylogeographic structure, ecological niche modeling, and transcriptomics. Based on these results, we will re-sequence the genomes of T. arvense populations in China, and study the population structure and evolutionary dynamics. And then, we will conduct the selective sweep analysis of high and low altitude populations in similar latitude to detect the different genomic regions and selective loci. At the same time, we will study the relationship between the genetic variation loci of different populations and the corresponding climatic factors. We expect to find the adaptive genes and biological pathway according to functional annotation of natural selected genes. After all, We try to understand the molecular mechnism of how T. arvense adapt to distinct environmental conditions, in particular to the genetic mechanism and regulatory network of which adapt to extreme environments on the QTP.

诠释基因组水平的遗传变异对于了解生物如何适应不同的生态环境具有重要的科学意义。菥蓂作为世界上唯一有参考基因组序列并且在海拔4500米梯度范围分布的野生植物，有希望成为研究极端海拔差异环境适应的新模式植物。我们前期搜集了中国分布的绝大部分菥蓂居群，初步完成了谱系地理、生态位模拟、抗逆和开花基因克隆以及不同海拔居群转录组实验等工作。在此基础之上，我们将利用群体基因组学方法，首先对中国范围的菥蓂居群进行基因组重测序，研究群体遗传结构和种群演化动态；然后针对相似纬度的海拔差异最明显的居群材料进行自然选择消除分析，检测具有明显遗传差异的基因组区域和受选择位点；同时将基因组变异位点与生境气候因子进行相关性分析。通过对筛选的重要位点进行基因功能注释，期望找到与环境适应相关的基因和生物通路。本项目力求深入解析菥蓂自然居群适应极端海拔差异的演化过程和分子调控网络，特别是适应青藏高原特殊环境的遗传机制。

本项目利用二代、三代以及Hi-C高通量测序技术，我们首先完成了中国本地菥蓂生态型的染色体水平全基因组的组装注释（527.3 Mb）；然后对中国范围的菥蓂高低海拔不同居群进行基因组重测序，研究了群体遗传结构和种群演化动态；针对相似纬度的海拔差异明显的居群材料，通过3个互补的自然选择清除分析（Fst，Pi，CLR）检测具有明显遗传差异的基因组区域和受选择位点，我们在高海拔群体中检测到130个可能参与高原适应的受选择基因，其中包括DNA修复、泛素相关、以及种子休眠等途径相关基因；同时将基因组变异位点与不同居群生境气候因子（海拔、年均温、最暖季节平均温度、最暖季节降水量）进行相关性分析。通过对筛选的重要位点进行基因功能注释，找到了与环境气候因子适应相关的重要基因和生物通路，特别是发现与开花时间相关的FLC基因内含子剪切识别位点的单碱基变异对不同海拔生态适应有重要影响。本项目深入解析了菥蓂自然居群适应极端海拔差异的基因组演化过程和分子调控网络，特别是适应青藏高原特殊环境的遗传机制。本基金项目的研究目标已超额完成，项目负责人被邀请在国际学术会议（ICAR 2019）上做口头报告，负责人以第一作者或（共同）通讯作者发表相关主流SCI论文8篇，包括国际著名高水平期刊Nature Genetics，PNAS（2篇），BMC Biology等多篇，均已标注本项目号。