基于基因组和转录组的太行花适应性分化研究

Taihanggia rupestris is endemic to the Taihang Mountains where it origin and evolution. This species distribute along the eastern edge of the mountains. A few studies detected the genetic and morphological differentiation between two subspecies of T. rupestris. We will provide insight into the adaptive differentiation of this species by comparing differences of genomes and transcriptomes between two subspecies using next generation sequencing. First, through population genome data we will identify outlier SNPs which are candidate loci under selection, invest genetic basis of T. rupestris differentiation combining its morphology and anatomy. Second, detecting gene expressions in root, stem, leaf, flower and fruit, we will compare the transcription patterns and the expression level of genes, and then invest genetic mechanism of T. rupestris differentiation on referring expressed gene functions and metabolic pathways. Finally, comparing transcriptional patterns and expression level of genes after treating individuals with some stresses, we will estimate their adaptive potentials. These results will provide instruction for this species protection, enrich the knowledge about genetic machanism of adaptation, and provide a case that climate change play an effect on the distribution and speciation of plant.

太行花是太行山的特有种，其起源和进化受到该地域气候变化的影响，目前仅分布在太行山东缘的狭长地带内。形态结构和多种分子标记检测都表明太行花已分化为两个亚种，太行花和缘毛太行花。本项目拟通过高通量测序比较两亚种基因组和转录组的差异探讨太行花亚种的适应性分化机制。首先，对两亚种进行群体基因组测序，检测适应位点，参考基因文库信息，推测其生理功能，结合形态结构变异探索太行花适应性分化的遗传基础；其次，检测同质栽培条件下根、茎、叶、花和果实中的表达基因，比较两亚种转录组模式和表达水平，结合基因功能和代谢途径探讨太行花适应性分化的遗传机制；最后，对栽培太行花植株进行多种气候因子的胁迫处理，比较两亚种的转录模式和表达差异，结合基因功能和代谢途径评测其适应潜力。这些研究结果可为太行花的保护提供理论指导和技术支持，丰富对生物适应性遗传机制的认知，同时为环境影响植物分布和物种形成提供研究实例。

太行花为太行山特有种，目前仅分布在太行山东缘。形态结构和多种分子标记都表明太行花分化为太行花和缘毛太行花两亚种。本研究对分布范围内的太行花群体样品进行SLAF-seq高通量测序，获得个体基因组范围的核苷酸变异信息，估测太行花遗传多态性和遗传结构，检测受选择基因并分析其功能和代谢途径。通过同质栽培，筛选光照、温度和水分胁迫下的差异表达基因，结合其功能和代谢途径分析，比较两亚种的适应性。组装两亚种叶绿体基因组，估测分化时间。结果显示，1基因组水平上太行花两亚种已明确分离开来，二者具有近似的遗传多态性，太行花亚种有效群体略大于缘毛太行花；2太行花两亚种间检测到185个基因受到选择清除，涉及到代谢（27）、遗传信息处理（17）、细胞过程（3）、环境信息处理（2）和有机系统（1）的50个代谢途径。其中，受选择基因最多的代谢途径是植物激素信号转导，共有10个基因，可能导致太行花两个亚种激素信号传递的差异，进而产生不同的应答反应；3同质栽培，正常环境条件下太行花两亚种的转录表达也存在差异，这些差异表达基因集中富集在碳代谢途径，差异表达基因大都参与植物次生代谢物合成、氨基酸合成等；4光照胁迫下，两亚种差异表达基因主要富集在昼夜节律、碳代谢、氨基酸生物合成、类黄酮生物合成、氨基糖代谢等途径上，两亚种的的差异表达基因种类和表达强度都有差异，太行花对高光有较强的适应性；5高温胁迫下，太行花和缘毛太行花具有相同的2条显著富集通路，卟啉和叶绿素代谢，植物激素信号转导和光合作用-天线蛋白，其余则都不相同。低温胁迫下，太行花和缘毛太行花相同的显著富集通路是钙代谢和光合作用-天线蛋白，其余途径都不相同；6水分胁迫下，差异表达差异基因主要参与的代谢通路是内质网中的蛋白质加工，淀粉和蔗糖代谢，植物激素信号转导，碳代谢等；7太行花两亚种在3.1百万年前分化开来。综合结果显示，太行花比缘毛太行花有更强的环境适应性。