滇西北典型高山峡谷区植物遗传格局成因和局域适应机制

A growing number of studies have addressed the effects of geological and ecological factors on the genetic patterns of plant species at large spatial and temporal scales, but the effects of fine scale landscape features on genetic patterns and local adaptation of plant species have received little attention. The highly heterogeneous landscape in the alpine-gorge regions provide a natural laboratory for testing the genetic effects of physical and environmental factors. In this project, we conduct the comparative landscape genomic study of two co-distributed species with different elevational ranges across the Yulong Mountain and adjacent regions, a typical alpine-gorge region in northwest Yunnan by incorporating the genomic data, traits data, and environmental data. The major objectives are: 1) to evaluate which distance model could explain the current genetic patterns the best; 2) to quantify the effects of the physical and environmental factors on the gene flow and genetic patterns; and 3) to unravel the mechanisms of local adaptation of the two species with different elevation ranges by integrating analysis of the adaptive genetic variations, functional traits, and environmental factors. This project would not only enhance our understanding of the drivers of the current genetic patterns and the mechanisms of local adaptation of plant species in the alpine-gorge regions, but also provide evidences about how plants would response to global climate change. Moreover, the results of this study would help in formulating effective strategies to conserve the biodiversity in this region.

尽管越来越多的研究探讨了地质和生态因子对大的时空尺度上植物遗传格局的作用，然而精细尺度上的景观特征对植物遗传格局和局域适应的效应受到的关注还很少。环境异质性特别高的高山峡谷区为检验地理环境因子的遗传效应提供了天然实验室。本项目拟选择两种不同海拔分布的代表植物为研究对象，基于遗传、性状和环境数据，在滇西北典型高山峡谷区玉龙雪山及其毗邻区开展精细尺度的比较景观基因组学研究。通过对多种距离模型进行评估，确定最佳模型以解释当下的遗传格局；通过遗传结构、基因流、隔离障碍和等位基因频率沿着环境梯度变化的分析，量化各个地理环境因子对基因流和遗传格局的作用；通过对适应性遗传变异、功能性状与环境因子的耦合分析，揭示不同海拔的植物的局域适应机制。本项目将增进我们对于高山峡谷区植物遗传格局成因和局域适应机制的理解，为预测高山峡谷区植物将如何响应全球气候变化提供新证据，为该地区的生物多样性的有效保护提供科学依据。

地质和生态因子对大的时空尺度上植物遗传格局的影响已经有大量的研究，然而精细尺度上的景观特征对植物遗传格局和局域适应的效应还不清楚。环境异质性特别高的滇西北高山峡谷区即金沙江两大转弯区，为检验精细尺度的地理环境因子的遗传效应提供了天然实验室。本项目以滇西北典型高山峡谷区的滇牡丹、峨眉蔷薇、岩白菜、椭圆叶花锚、双参属等物种为研究对象，基于简化基因组ddRAD-seq测序数据、微卫星SSR分型数据、叶绿体基因组数据、以及功能性状数据和环境数据，开展了玉龙雪山山体尺度的比较景观遗传学研究和滇西北高山峡谷区的比较景观遗传学研究。取得的主要研究结果如下：（1）玉龙雪山主峰对高山亚高山植物岩白菜和滇牡丹种群间基因流都起到了显著的阻隔作用，其中主峰对海拔更高、种群更加破碎化的岩白菜的阻隔作用更为显著。椭圆叶花锚种群在玉龙雪山上呈现出非常高的遗传结构异质性。滇牡丹的营养性状整体呈现出微弱的海拔梯度格局，而繁殖性状心皮数量随着海拔的上升显著增加。高山植物可能会通过营养性状的可塑性和增加对繁殖的资源投入来适应高海拔的不利环境条件。（2）尽管单独一条金沙江峡谷对于两岸的高山亚高山植物是一个可以跨越的障碍，但是金沙江两大转弯区作为整体却对高山亚高山植物种群间基因流起到显著的阻隔作用，西部种群与东部种群遗传分化明显，金沙江转弯区的核心区域的种群的遗传组分为西部种群和东部种群遗传组分的混合。此外，空中岛屿效应和环境异质性也对高山植物的遗传分化起到重要的作用。（3）横断山海拔跨度大、环境异质性高，不仅是山地植物的物种形成中心，也蕴藏着较高的种群遗传多样性，并将在未来气候变化背景下为高海拔和低海拔植物提供避难所。本项目增进了我们对于高山峡谷区高山亚高山植物不同空间尺度的遗传格局成因和局域适应机制的理解，为高山峡谷区植物将如何响应全球气候变化提供了新证据，为该地区的生物多样性的有效保护提供了数据支撑和科学参考。