濒危植物短序报春苣苔的基因组变异与特殊生境适应机制研究

Nanling mountain area has been recognized as one of the important biodiversity hotspots with the high floristic richness and high species endemism. Nanling mountain area is characteristic of highly heterogeneous habitat, espically the mosaic distribution of karst and Danxia landform within the medium-low altitude area below 700 meters. However, karst and Danxia landform have become typical "land islands" ecosystems due to both the inherent environmental susceptibility and large-scale human disturbance, among which most species distribute with the patterns of small and isolated populations. Study on the adaptation of species to special habitat is helpful for the conservation of endangered species in Nanling Mountain area. In the present study, Primulina depressa, a typically endangered plant endemic to two kinds of special habitats, including karst and Danxia landform, will be selected as a case study to test the adaptaion of plant species to special habitat in Nanling Mountain area. The genetic diverity and genetic structure of P. depressa will be examined based on next-generation sequencing technologies. Together with the key information of mineral elemental profiles and pheotype analysis involved in the common garden and reciprocal transplant experiments, these results could shed light on the patterns of population differentiation at neutral versus non-neutral loci and the key role of habitat adaptation in determing the population divergence. Additionally, the outlier loci will be identified with the functional significance in terms of adaptation to special habitat. Finally, we will discuss the genetic basis of adaptation of this species to such special habitats, which is useful for the scientific conservaiton of such endangered species and learning the mechanisms of species diversity and endemism in Nanling mountain area.

南岭山地是我国生物多样性保护的热点区域，也是我国特有植物分布中心之一，生境高度异质，喀斯特和丹霞地貌交错分布是其典型的生境特征。由于地质本身的特殊性和脆弱性及严重的人为干扰，喀斯特及丹霞地貌已经演变成典型的"陆地岛屿"生态系统，多数物种呈孤立小居群的分布格局。研究特有物种的遗传变异及其生境适应性基础对南岭地区特殊生境的物种保护具有重要意义。本研究以分布于南岭两种特殊生境（喀斯特和丹霞地貌）的濒危植物短序报春苣苔（Primulina depressa）为例，基于新一代测序技术，获取其基因组水平的遗传变异等居群遗传特征，检测居群间的遗传分化格局；通过土壤交换移植的表型特征分析，探测其对不同生境的局部适应性；结合不同生境（喀斯特和丹霞地貌）的土壤特征分析，筛查与特殊土壤适应相关的遗传变异，为该濒危物种的保护提供科学依据，本研究结果也将为揭示我国南岭物种特有性和多样性形成及进化机制奠定基础。

南岭山地是我国生物多样性保护的热点区域，也是我国特有植物分布中心之一。生境高度异质，喀斯特和丹霞地貌交错分布是其典型的生境特征。阐明特殊生境植物种群分化驱动机制对于理解植物多样性形成与维持机制具有重要意义。报春苣苔属（Primulina）植物物种多样性丰富、特有性强，主要分布在喀斯特区域， 是探讨特殊土壤生境植物适应性进化与物种形成的理想研究材料。本研究以分布于南岭喀斯特和丹霞地貌特殊生境的报春苣苔属代表性物种为研究对象，在详细野外资源调查取样的基础上，采用基于简化基因组测序（RAD）的群体基因组学研究方法进行了系统的保育基因组学研究。研究结果显示，该物种种群遗传多样性较低、有效群体较小、强烈的瓶颈效应，群体遗传分化较大，而且呈显著的距离隔离趋势，表明遗传漂变可能是该物种重要的进化驱动力。另一方面， 冗余分析 (redundancy analysis, RDA) 揭示土壤生境及气候因素显著影响了基因组变异，而且环境因子比空间地理因素更大程度地影响了基因组变异。结合分析距离隔离IBD、环境隔离IBE对基因组 SNP 遗传变异的影响，研究结果暗示局部适应（local adaptation）极大地促进了群体遗传分化。基因组扫描 及 SNP-环境关联分析显示，31个SNP可能受到环境歧化选择影响；功能注释及 GO 富集分析结果表明，26个 SNP 显示与土壤/气候等环境适应性相关基因有关。此外，我们对不同生境群体进行了同质园栽培实验，不同生境居群表型性状具有显著遗传分化，其中某些性状在不同生境群体间可能受到歧化选择作用。这些研究结果显示，在喀斯特及丹霞地貌特殊土壤生境岛屿中，尽管非适应性进化过程明显，适应性进化机制可能起到了更为重要的作用。这些研究结果为理解特殊土壤生境物种的适应性进化与物种形成提供了新的启示。