双果荠属基因组生物地理学研究：响应气候变化的物种分化和种群变化

Population genomic data provide more informative details in recovering speciation patterns and changes of population sizes in response to the climatic oscillations than traditional molecular biogeographic researches. In this study, we aim to re-sequence genomes of all populations of three species of Megadenia (Brassicaceae) based on the available de novo genome of one species. Three species of the genus are disjunctly distributed in the Qinghai-Tibetan Plateau (QTP) and Siberia and Sikhote-Alin Mountains of Russia. Based on the population genomic data, we aim to test two hypotheses: (1) the genus went ‘out of QTP’ during the Quaternary glacial stage due to the decreased temperature, dispersed to Siberia and Sikhote-Alin of Russia followed by species divergences; and (2) the species in the QTP expanded following the increasing temperature while two species in Siberia and Sikhote-Alin Mountains did not due to the too high temperature. This study will deepen our understanding of the biogeographic connections between alpine plants and other temperate flora.

群体基因组数据在揭示物种响应气候变化的分布扩散、物种分化和种群变化方面比已有的分子生物地理学数据具有更多优势。在已经完成的双果荠属一个物种de novo基因组测序基础上，本项目拟对该属3个物种所有代表性种群开展基因组重测序的生物地理学研究。该属的3个物种间断分布在青藏高原和俄罗斯的西伯利亚和锡霍特山脉；在第四纪中晚期分化。利用群体基因组证据，拟验证两个科学假设：(1)该属是在第四纪冰期温度下降过程中‘走出青藏高原’，扩散到西伯利亚和锡霍特山脉；和（2）分布青藏高原的一个物种在第四纪冰期结束后发生了种群的急剧扩张，较大范围地分布于青藏高原，而西伯利亚和锡霍特山脉分布的两个物种由于温度过高的限制未发生相应的种群扩张；可能是种群缩小的残遗类群，因此局域分布和形成新物种。研究结果将加深我们对青藏高原高山植物与其它温带地区分布植物生物地理学关系的理解。

第四纪冰期如何影响高山植物的分布、扩散以及种群变化，是生物地理学中长期关注的关键科学问题。本项目以分布在俄罗斯西伯利亚和锡霍特山，以及青藏高原的双果荠属物种为材料体系，采用群体基因组学方法研究物种响应气候变化的分布扩散、物种分化和种群变化。本研究完成了20个居群135个体的样品的采集和重测序工作，基于重测序数据的种群遗传分析表明，在世界范围分布的双果荠在遗传上可以划分为四个类群，类群之间存在一定的遗传差异，但遗传分化较小。其中分布在高原的双果荠类群，在基因组中固定了一些与高原适应性相关的基因突变。在此基础上，结合物种分布模型的种群历史分析与生态位模拟表明，双果荠在末次冰盛期时扩散到现俄罗斯远东地区并形成当地的一个类群，群体分布相对连续。在此之后，由于气温升高，双果荠在寻求适宜生长的温度和环境过程中继续向高纬度迁移，并在中全新世时期进一步扩散到纬度更高的锡霍特山脉地区，同时低纬度的类群分布开始减少。直到今天，由于低山地区温度的升高，原本扩散到低山地区的居群逐渐灭绝，只残存在有限的几个分布区域，形成了高度间断的分布格局。本研究阐明了双果荠在第四纪气候变化中的物种分化、扩散和种群变化过程，为理解青藏高原高山植物与其它温带地区分布植物的生物地理学关系提供了基础数据和理论支持。