老鼠簕属红树植物的物种界定与物种形成模式研究

Speciation is one of the most fundamental and important problems in evolutionary biology. As a unique genus consisting of both true mangrove and terrestrial species, Acanthus represents an ideal system for studying the origin and adaptive evolution of mangrove plants. Our previous studies using individual nuclear genes and chloroplast fragments have revealed potential cryptic speciation and taxonomic status uncertainty within Acanthus mangroves, hinting the necessity of reclassification and intense research on speciation and diversification of these species. In this study, we shall further investigate the delimitation and speciation of Acanthus mangroves on a genome-wide scale using advanced population genomic and comparative transcriptomic methods. Based on genome-wide SNP data collected from reduced-representation genome sequencing, we shall delimit the numbers and boundaries of species within Acanthus mangroves using several different species discovery (parametric and non-parametric) and species validation (coalescent-based) approaches. Based on the species delimitation results and estimation of population demographic parameters using multilocus data collected from next-generation sequencing, we shall conduct statistical testing and computational simulation of various speciation models to determine the most appropriate scenario of speciation, and also perform hypothesis-testing to illustrate the historical role that Malaysian peninsula has played as a land barrier in the speciation of Acanthus mangroves. Meanwhile, we shall identify mangrove-specific genomic components and candidate positively selected genes across Acanthus mangroves through transcriptome comparison with their terrestrial congeners, to understand the molecular mechanism of mangroves’ speciation and adaptive evolution under extreme intertidal conditions from a perspective of nature selection and functional genomics. This study will provide insights on mangroves’ speciation and diversification in the Indo-West Pacific region and also offer reference for the protection and rational use of mangrove resources.

物种形成是生物多样性产生的基本机制，也是进化生物学领域最重要的问题之一。作为唯一同时具有海生生境真红树和陆生生境非红树植物的属，老鼠簕属红树植物是研究海岸潮间带植物物种形成与适应性进化的良好系统。我们前期基于少数核基因和叶绿体基因间隔区的分析提示了老鼠簕属现有物种分类地位的不确定性以及属内物种形成事件的复杂性，但确切的种间界限和物种形成模式还需从群体组学层次进一步探讨。在前期研究基础上，本研究将采用前沿的居群基因组和比较转录组学方法，利用基于贝叶斯原理的算法对相关物种在基因组水平上进行界定；在概率模型下对物种形成的模式进行统计检验，并阐明马来半岛作为历史地理障碍在该属红树物种形成中的角色；同时通过与陆生近缘种转录组的比较，从自然选择和功能基因的角度探讨老鼠簕属红树植物在潮间带极端环境适应性进化的分子机理；为理解印度-西太平洋地区红树植物物种形成机制及合理保护和利用红树植物资源提供理论参考。

物种形成是生物多样性产生的基本机制，也是进化生物学领域最基本和最重要的问题之一。本研究主要以老鼠簕属红树植物为例，对这类生长在特殊生境同时在形态分类上存在争议的植物类群进行物种界定和物种形成研究，并进一步对该地区分布的多种红树植物系统地开展物种遗传多样性、遗传分化以及群体结构的比较，推断其分歧时间和物种形成模式。本研究已完成研究计划的内容并获得了预期的成果。包括完成印度-西太平洋地区老鼠簕属红树植物及其近缘物种的采样和实验工作；基于多基因位点分析不同地理居群之间遗传空间模式上的异同，综合多方面的证据进行物种界定分析；探讨马来半岛线在老鼠簕属红树物种形成中的角色和作用，推断可能的物种形成模式；基于转录组数据和系统发育等分析探讨老鼠簕属红树植物的起源时间和方式；同时对华南地区的多种不同地理与生态分布类型植物进行了包括亲缘地理、叶绿体基因组和比较转录组等生态与进化领域上的各项研究工作。研究结果表明，老鼠簕物种内部位于马来半岛东侧与西侧的群体分别形成了两个显著分化的谱系，其分化很大程度上受到了第四纪气候的大幅波动以及海平面变化所导致的地理障碍的影响；居群多基因和转录组研究均支持老鼠簕东侧谱系、老鼠簕西侧谱系、小花老鼠簕和藤老鼠簕这四个独立的生物学物种假设，推测上述两个地理谱系可能代表了两个隐种。通过对多种不同生态类型红树植物亲缘地理格局的系统比较表明，地史上全球变化（海平面上升和下降）是导致该地区红树植物亲缘地理分布格局的最主要的原因，而不同红树植物物种由于具有不同的生物学以及生态学特征，因此在遗传结构与亲缘地理关系上呈现物种特异性的模式。本研究的成果对相关物种的保护和利用提供了第一手的分子证据，为科学管理和可持续利用海岸带植物资源提供了有意义的实例和重要理论依据。