基于表观遗传变异和表型可塑性的芦苇生态分化与适应性进化机制

Phragmites australis under heterogeneous habitats is taken as the main experimental material in this research. Our research will select different areas, such as fresh water wetlands, salt water wetlands, land with salinity soil, etc. as sample areas to do field survey, plant functional traits measuring and habitat ecological factors analysis; as well as conduct Common garden experiment and analog controlled transplant experiment on P. australis population under typical habitat. In this study, we screen the main environmental factors that affect P. australis and test the adapting response of plant functional traits to heterogenetic habitat, to reveal the relationship between plant functional traits and the growing environment as well as habitat driver of ecological differentiation and phenotypic adaptation. Using Flow Cytometer and chromosome counts, chromosome ploidy can be decided in P. australis samples; based on trnT-trnL and rbcL-psaI chloroplast gene sequencing method, epigenetic variation and phenotypic plasticity before and after planting, we can test whether the phenotypic variation is caused by genotypic differentiation or environmental modification; testing whether gene methylation can stably inherited to evaluate the effect of hereditary factor and environmental factor. And above all, this can reveal the ecological variation and adapted evolution mechanism of P. australis under heterogeneous habitats. This study can provide basic knowledge of genetic evolution mechanism on ecological adaptability, as well as scientific evidence to make ecological reconstruction, revegetation, plant resource protection and evaluation.

本研究拟以异质性生境中的芦苇为研究对象，选取淡水湿地、咸水湿地、盐渍化土壤等异质性生境设置样地，结合野外群落调查、植物功能性状测量、生境生态因子分析，同时开展典型生境芦苇种群的同质种植园实验及模拟控制条件下的交互移植实验，筛选主导环境因素，确定功能性状对异质性生境的适应性反应，揭示芦苇生态分化的生境驱动及表型适应；采用流式细胞仪和染色体计数进行染色体倍性的鉴定，采用trnT-trnL、rbcL-psaI叶绿体基因序列测序法分析遗传结构，结合移栽前后的DNA甲基化表观遗传变异和表型可塑性测定，检验这些表型变异是源于遗传分化还是环境饰变，检验不同芦苇种群的DNA甲基化重塑能否稳定遗传，厘定遗传因素和环境因素在驱动芦苇生态分化中的相对贡献，揭示异质性生境中芦苇的生态分化及适应性进化机制。研究可为探索生态适应性的遗传进化机制提供重要基础，同时为生态重建、植被恢复以及植物资源保护评价提供科学依据。

植物种内变异受外界环境诱导和内在遗传变异的共同影响，是植物生态分化和适应性进化的重要基础，其中，表型可塑性和表观遗传变异在植物表型变异中的作用机制成为研究难点和热点。本项目以异质性生境中的芦苇为研究对象，选取淡水湿地、咸水湿地等异质性生境设置样地，结合野外群落调查、遗传与表观遗传变异检测、植物功能性状测量、生境生态因子分析，开展了典型生境芦苇种群的同质种植园实验，开展了模拟控制条件下的交互移植实验、环境因子控制实验和区甲基化实验，探究了异质性生境中芦苇的生态分化及适应性进化机制。基于野外调查的水盐多变环境下芦苇表型可塑性及群落格局分析表明，表型可塑性是不同生境芦苇在植物功能性状和群落特征上发生生态分化的主要作用机制，种内遗传多样性则是表型变异的重要补充来源。基于控制实验的芦苇生态分化过程中的遗传与表型可塑性机制分析表明，表型可塑性受地理来源、植物功能性状类别和环境因子类型的共同影响，谱系发育历史及本地适应等遗传因素都是影响表型可塑性进化的内在限制因素。基于分子检测的芦苇适应进化过程中的遗传与表观遗传调控机制分析表明，芦苇具有丰富的遗传多样性，是其适应性进化的重要基础，而表观遗传则是一种重要的表型调控机制，在芦苇中具有一定的遗传独立性和进化重要性。全球不同地区芦苇种群间存在普遍的遗传和表观遗传分化，表观遗传变异与芦苇水盐适应、多倍体化过程密切相关，但生物入侵导致的本地和外来种群环境同质化并未导致迅速的表观遗传同化。项目系统揭示了表型可塑性在芦苇生态分化和适应性进化过程中的重要作用，也在整体上厘定了芦苇表观遗传变异和传统的遗传变异在芦苇表型分化中的相对贡献及作用机制，为探索植物生态适应性的遗传进化机制提供了重要研究基础，同时为生态重建、植被恢复以及植物资源保护评价提供了科学依据。本项目资助发表SCI论文31篇、国内核心期刊论文3篇。