美洲商陆耐锰性的适应性进化机制

Plants could cope with environmental stresses by genetic variation or phenotypic plasticity. Relationships between population genetic variation and evolutionary processes of plant under heavy metal stress have been studied. However, the function of epigenetic variation to the adaptation of plant under heavy metal stress has not been illuminated. In this project, we intend to analyze the mechanism for manganese (Mn) tolerance in Pokeweed (Phytolacca Americana), a manganese hyperaccumulating plant. Samples will be collected from the areas with and without Mn pollutions to analyze the population genetic variation (based on SSR analysis which will be got by RNA-seq) and epigenetic variation (based on MS-AFLP analysis). Combined with the results from common garden experiments, we will illuminate that which one is the primary cause for the adaptation to Mn pollution in Pokeweed between genetic variation and phenotypic plasticity. Furthermore, we will analyze the different expressional genes (based on digital gene expression profiling) of Pokeweed under Mn stress to clarify the molecular basis of this adaptation. It is our innovation to study the mechanism for adaptive evolution of plant heavy metal tolerance by combined analysis of population genetic variation and Epigenetic variation based on comparative data of populations form pollutional or not pollutional area. And we hope that our research will provide new insight on study of mechanisms for heavy metal tolerance of plant.

植物应对胁迫环境具有遗传变异和表型可塑性两种策略。目前已有研究从种群的角度探讨遗传变异与植物耐重金属性演化的关系，但是从种群水平上探讨表观遗传变异对植物耐重金属适应性进化的作用尚不清楚。本项目拟以锰超积累植物美洲商陆为研究对象，分别在重金属污染区和非污染区进行种群取样，结合同质园互交移植实验，从种群水平上研究其表观遗传变异（基于MS-AFLP标记）与遗传变异（基于RNA-seq开发的SSR标记），阐明美洲商陆耐锰性的适应性进化对策是遗传变异还是表观遗传变异，并进一步从转录组水平上（基于表达谱测序）研究锰胁迫环境下的差异表达基因，揭示该适应性进化的分子基础。我们的创新点是将表观遗传变异与遗传变异的研究相结合，通过重金属污染种群和非污染种群的比较研究，探索植物对重金属胁迫的适应性进化机制，为植物重金属耐性机制的研究提供新的思路和方法。

土壤重金属污染已经成为世界性的环境问题，植物重金属耐性的提高能够降低由重金属污染带来的负面影响。重金属积累植物能够在重金属污染环境下良好生长，并且可以大量积累重金属。重金属积累植物忍耐和积累重金属的机制是其长期生活在重金属环境下适应性的结果。植物适应不同环境胁迫的机制主要包括遗传变异和表型可塑性两种。其中，表观遗传变异可介导表型可塑性。在本项目中，我们以锰/镉积累植物美洲商陆为研究对象，应用进化生态学和表观遗传学的原理结合新一代测序技术，从种群的角度探讨遗传变异和表观遗传变异与植物耐重金属性演化的关系。结果表明，野外美洲商陆种群遗传多样性较低，并且种群间已产生遗传和表观遗传分化，其种群遗传和表观遗传分化的方向与种群所在生境的污染类型一致。美洲商陆种群在重金属生境下通过遗传分化和表观遗传变异共同的作用提高种群对环境的适合度。锰/镉处理下非污染区的美洲商陆表观遗传多样性降低，并且胞嘧啶甲基化修饰位点发生迅速改变来适应胁迫环境。锰/镉胁迫下美洲商陆基因表达模式发生改变，美洲商陆在不同类型的重金属胁迫下利用相似的基因应对不同的代谢途径。本项目的研究明确了美洲商陆耐重金属的适应性进化对策，其种群适应性进化分子机制的研究为研究植物重金属耐性机制提供新思路。