喜马拉雅-横断山地区象牙参属植物的演化适应格局比较研究

Geographical environment and geological history between the Himalayas and the Hengduan Mountains are largely different, suggesting that processes of biological diversification and mechanisms of species adaptation between these two regions may be distinct. Exploring the spatiotemporal differences in the evolutionary adaptation between these two regions could shed important light on the origin and evolution of biodiversity in the Himalayas and the Hengduan Mountains. The alpine ginger Roscoea is disjunct distribution between the Himalayas and the Hengduan Mountains. Our previous investigation indicated this genus is an idea taxon to explore the evolutionary adaptation between the Himalayas and the Hengduan Mountains. We hypothesized that evolutionary adaptation of Roscoea between these two regions were likely dissimilar based on our previous studies. To test this hypothesis, this project plans to obtain genomic data from high-throughput transcriptome sequencing using Illumina and PacBio platform. At the species level, phylogenomics will be used to study the evolutionary history and mechanism of maintaining the disjunct distribution of Roscoea with analysis of adaptive introgression. At the population level, population genomics and landscape genomics will be employed to explore the population demographics and distribution patterns of adaptive variations. We will also explore evidence from species niche modeling and species dispersal modeling. Above results will be integrated with the evidence of tectonic dynamics and environmental changes within/around the Qinghai-Tibet Plateau to reveal the differences in processes of evolutionary adaptation of Roscoea between the Himalayas and the Hengduan Mountains. This study will expand our understanding of origin and evolution of biodiversity and provide the theoretical basis for the effective protection of biodiversity within the Himalayas and the Hengduan Mountains in the context of macroevolution and microevolution.

喜马拉雅和横断山地区在地质历史和地理环境方面极为迥异，暗示两地区的生物多样化过程和物种适应机制可能不同。探索两地区间物种演化适应格局的时空差异可为深入认识两地区生物多样性起源与演化提供重要依据。我们前期研究发现，间断分布于喜马拉雅和横断山地区的象牙参属植物很可能存在地区间不同的演化适应格局。为验证该假设，本项目拟通过高通量转录组测序，在物种水平开展系统演化基因组学研究，基于适应性基因渐渗比较分析象牙参属在两地间的演化历史和间断分布格局的维持机制；在居群水平开展群体基因组学和景观基因组学研究，比较分析两地广布种的居群动态历史和遗传适应格局。基于物种分布模型和物种迁移模型分析，结合地质和环境变迁史，将物种宏观演化和微观适应有机融合，对比分析象牙参属植物在两地间的演化适应机制和多样化过程，研究结果将拓展我们对喜马拉雅和横断山地区生物多样性起源与演化机制的认识，为生物多样性的有效保护提供科学依据。

该项目是在前期厚实的研究基础上提出间断分布于喜马拉雅和横断山地区的象牙参属植物很可能存在地区间不同的演化适应格局。对于该科学问题的解答对于理解这两个生物多样性热地区生物多样性起源、演化与维持具有重要的科学意义。项目利用高通量的测序数据，结合多学科的的原理和方法，揭示象牙参属植物的演化适应过程、居群动态历史及遗传适应格局，结合喜马拉雅和横断山两地区间不同的地质和环境变迁历史，深入对比分析象牙参属植物在两地区间的演化适应机制和多样化过程。研究结果显示象牙参属植物在喜马拉雅和横断山之间存在一个生态位的空白区域（称为生态屏障），而低温和高湿可能是生态屏障形成的主因；两地区间生态位存在显著分化。进一步的分析发现两地区间显著分化的基因主要与甲基化和多糖代谢途径相关，这些过程在很大程度上影响着物种对不同生境的适应；虽然象牙参属在地区间发生了适应性的分化，但异源多倍体的发现证实喜马拉雅和横断山地区的象牙参属物种曾在冰期时在缅甸西部山脉相遇形成了新的异源四倍体物种。演化基因组学分析发现象牙参属种间演化关系较为复杂，近缘物种间的从过去到现在基因渐渗大小呈现一个单峰分布，渐渗基因的功能在大多数物种对间与生殖无关。景观基因组和谱系地理学的研究发现，虽然一些象牙参属物种存在一定的适应/顺应未来气候变化的能力，但是局域适应越强的居群适应快速气候变化的能力越低。项目实施过程中将生态屏障的概念引入生物地理学研究中，提出了山地多样性的形成很可能与区域内的生态屏障密切关联，为探讨全球山地生物多样格局形成提供了新的思路。同时还从种间及种内水平深入揭示了物种多样性和遗传多样性的形成和维持机制。研究的总体结果这为我们理解山地生物多样性的形成和维持提供了重要的科学依据，同时也为山地生物多样性的有效保护提供了系统思路。项目实施过程中培养研究生4人，培养青年科技骨干3人；发表科研论文8篇，含SCI论文6篇。