杂草稻响应环境温度变化控制种子萌发机制发生和快速进化的分子基础

Weedy rice (Oryza sativa f. spontanea) is a noxious weed in cultivated rice fileds, competing for water, nutrients and other resources, which can cause great yield losses of rice. Our previous studies indicated that weedy rice populations from temperate rice regions in China did not have seed dormancy. However, these weedy populations evolved a novel mechanism to avoid growing in inappropriate environments via changes in critical temperature cues for seed germination. We also found evidence for subsequent ecotypic divergence of these populations from different latitudes such that the critical temperature for germination correlates with the local habitat temperature at latitudinal gradients. The mechanisms underpinning the rapid adaptation to novel environments remain uncharacterized and need to be revealed. Based on our previous finding, we will try to identify differentially expressed genes in response to different environments by transcriptomic analysis, and examine interpopulation variation at these loci. We hope to provide useful information for understanding the molecular mechanisms involved in rapid evolutionary divergence and ecotypic diversification of germination behavior in weedy rice populations at different latitude. Results from this study will facilitate our understanding of the driving forces for such rapid responses of plant populations to the changing environment.

杂草稻（Oryza sativa L. f. spontanea）是世界范围的稻田恶性杂草，与栽培稻伴生竞争资源，影响栽培稻的正常生长，导致严重减产。前期研究结果显示温带地区杂草稻种子没有休眠性，但在适应不同地区环境的过程中进化出一种新的种子萌发调节机制，即不同纬度杂草稻居群的种子萌发通过响应环境特定的临界温度变化而受到控制。这种调节机制的分子基础是什么？在适应性进化过程中是如何发生的？这是需要回答的科学问题。本项目拟通过转录组分析从基因组水平筛选和鉴定与不同环境条件以及不同发育状态相关的差异表达基因，并通过对差异表达基因功能和相互作用关系的分析，揭示杂草稻基于对临界温度响应控制种子萌发的分子机理；进而以这些功能基因为标记，利用群体基因组学策略分析来源于不同纬度梯度居群的基因组多态性，探讨不同居群适应性分化的遗传基础，促进对植物微进化过程中适应性性状发生途径和机制的认识。

杂草稻（Oryza sativa L. f. spontanea）是世界范围的稻田恶性杂草，与栽培稻伴生并竞争资源，影响栽培稻产量和品质。在杂草稻发生和野化（ferality）过程中，形成了一系列适应于在自然环境中生存和繁衍的特性，包括种子落粒性、休眠性和强烈的杂草性（生长快、分蘖多、繁殖能力强）。前期研究结果显示我国温带地区杂草稻种子没有休眠性，但在适应不同地区环境的过程中进化出通过响应不同纬度地区环境临界温度变化而控制种子萌发的特性。本项目以“杂草稻响应环境温度变化控制种子萌发机制发生和快速进化的分子基础”为关键科学问题，通过对不同地方居群杂草稻基因组遗传分化水平和不同温度条件下、种子萌发不同阶段基因表达式样进行系统的分析，鉴定了与种子萌发行为和特性形成相关的关键基因，并通过与伴生的栽培稻及野生稻基因组特征进行比较，揭示了杂草稻南北居群之间的遗传分化和适应性进化以既存的遗传变异（standing genetic variation）为基础，推测栽培稻供体基因组中一些既存遗传变异的混合、重组和分离，加之去驯化（de-domestication）过程中自然选择的作用，导致部分原先在栽培稻基因组中选择上中性的SNP由于与适应性的野化性状相关联，进而在杂草稻特定居群中的比例明显上升，促进了在基因组层面不同地方居群遗传结构的改变和遗传分化，并为不同地方居群的局域适应（local adaptation）奠定了分子遗传学基础。本项研究的结果有助于加深对植物快速适应和进化动力及机制的认识，帮助阐明杂草稻发生、适应和扩散的途径和机理，为发展有效的防控措施提供依据。