多倍体促进外来植物成功入侵与快速进化的机制

The most notorious invasive plant Solidago canadensis L. is used as a model species in this proposal. Trying to linking polypoidy, the changes at genomic level, and their ecological consequences and significance of evolution, we integrate the knowledge and methodology in plant ecology, population genetics, evolutionary biology and genomics to find out how polyploidy facilitates the success invasion and rapid evolution of exotic plants. From genotype to gene expression, phenotypic traits, ecological consequences and environmental responses, we try to distinguish the direct and immediate ecological consequences from the indirect and temporal evolutionary consequences step by step, using the methods including molecular phylogeography, phenotypic selection analysis, artificial synthesized neopolyploidy, ecological genomics, etc. We aim to answer the following two questions: 1) Can polyploidy facilitate the invasion success of exotic plants by increasing the phenotypic plasticity, ecological tolerance and changing the interaction between exotic species and the rest biotic components at different trophic level in the invaded community? 2) Can polyploidy facilitate the rapid evolution of exotic plants by preferring polyploidy with high phenotypic diversity and high genetic diversity or with sepcial phenotypic traits produced by the sepcial gene expression of polyploidy. The results will not only clearly elucidate the genetic mechanism underlying how polyploidy facilitate the invasion success and rapid evolution of exotic plants, but also help to understand the important role of polyploidy in the biological evolution, which can enrich the knowledge and methodology of invasion ecology and evolutionary ecology. In addition, the results can provide basic references for the management and control of invasive plants under the context of global change.

以我国广泛入侵的加拿大一枝黄花为模式种，整合植物生态学、种群遗传学、进化生物学、基因组学的理论与方法，将基因组水平的变化- - 多倍体与其生态学及进化效应联系起来，从基因型、基因表达、表型特征、生态学效应到环境响应，采用分子系统地理学、表型选择分析、人工诱导合成新多倍体、生态基因组学等方法和手段来辨别多倍体直接的、即刻的生态学后果与间接的、时间上的进化后果，验证假说"多倍体通过提高表型可塑性和生态耐受，改变物种间的相互作用，增强入侵性"，"多倍体通过提高种群遗传多样性产生丰富的表型特征或是改变基因表达而改变表型特征，天然选择偏好多倍体，促进入侵植物的快速进化"。本研究不仅可以从根本上阐明多倍体促进外来植物成功入侵和快速进化的机制，更有助于了解多倍体在生物进化中的重要作用，可以极大地丰富入侵生态学和进化生态学研究理论和方法。同时，也可为在全球变化背景下管理和防治多倍体入侵植物提供基础理论依据。

生物入侵严重威胁着生物多样性、生态系统功能、人类健康和经济的可持续发展，给经济及环境带来了严重的影响，已成为环境科学和生态学研究的焦点。多倍体广泛存在于有花植物中。多倍体与植物入侵性可能存在一定的关系。但相关研究很少。本项目以我国广泛入侵的加拿大一枝黄花为模式种，整合植物生态学、种群遗传学、进化生物学、基因组学的理论与方法，采用分子系统地理学、表型选择分析、人工诱导合成新多倍体、生态基因组学等方法和手段，从基因型、基因表达、表型特征、生态学效应到环境响应多角度阐明加拿大一枝黄花的入侵机制。主要研究内容包括：加拿大一枝黄花不同染色体倍性种群的生态位分化及分子系统地理学研究；不同染色体倍性种群的遗传多样性和表型选择分析；不同染色体倍性种群及人工合成新多倍体的表型可塑性、生态耐受能力及与不同营养级物种间的相互作用研究；不同染色体倍性种群及人工合成新多倍体的对环境、胁迫及生物因子响应的生态基因组学研究。研究发现入侵地六倍体加拿大一枝黄花对温度、水分、遮阴、盐胁迫等均具有较强的表型可塑性，在气候（温度与水分）响应中存在适应性进化，但在遮阴、盐胁迫响应中缺少局部适应，与气候因子之间具有显著的相关性，具有较强的高温与低温耐受能力，表明六倍体加拿大一枝黄花在入侵地通过提高表型可塑性和生态耐受，增强入侵性。中国加拿大一枝黄花种群遗传多样性较高，存在多点起源现象，分别起源于美国的纽约、印第安纳等地不同倍性种群。转录组学研究发现不同倍性及不同产地加拿大一枝黄花对环境因子及生物因子的响应存在显著性差异，表明六倍体加拿大一枝黄花在入侵地可以通过提高种群遗传多样性产生丰富的表型特征或是改变基因表达而改变表型特征。该研究成果不仅可以从根本上阐明多倍体在加拿大一枝黄花成功入侵中的作用，为入侵植物加拿大一枝黄花的防治提供基础理论依据。