内蒙古高原锦鸡儿属植物遗传分化的环境与气候控制机制

The genus Caragana (Fabr.) in the Inner Mongolia Plateau, provides a unique opportunity to investigate patterns of adaptive radiation along steep climatic gradients, and to identify the environmental factors most likely to be responsible for driving the radiation. The objective of the project is to determine the drivers of genetic differentiation of Caragana species across the Inner Mongolian Plateau. This study will use a factorial, multi-model approach to evaluate alternative hypotheses and identify the combination of environmental factors that appear to drive genetic divergence of Caragana in the Inner Mongolia Plateau. The project will evaluate five alternative hypotheses: genetic structure is panmictic, (1) genetic structure is related exclusively to phylogenetic distance, (2) genetic structure is related exclusively to geographic distance between populations, (3) genetic structure is related to climatic gradients separating the populations, (4) genetic structure is jointly driven by climatic gradients and phylogenetic relatedness among species. By employing state-of-the-art landscape genetic analyses to evaluate these four alternative hypotheses we will robustly identify the environmental factors that drive adaptive radiation and gene flow of Caragana populations across the Mongolian Plateau.

环境因子的变化与植物适应演化是长期以来受关注的问题。内蒙古高原及其沿着高原气候环境梯度分布的锦鸡儿属（Caragana (Fabr.)植物为研究环境因子对锦鸡儿种群分化的控制机制提供了独特的、具有代表性的自然单元。本项目采用多重因果关系模型（the causal multi-model）方法，进行运算，检验选择性假设，确定驱动锦鸡儿属植物遗传分化的主导因子。为此，我们提出4个假设：（1）遗传结构只与系统发育距离相关。(2）遗传结构只与种群间的地理距离相关。（3）种群遗传结构与气候梯度的分隔相关。（4）遗传结构受气候梯度和种间系统发育关系的共同驱动。通过对锦鸡儿种群遗传结构的研究、地理分布及其生物气候变量空间分布的研究、以及系统发育关系的研究，运用景观遗传学的理论和方法，分析评价这些假设，揭示在气候环境变化过程中，内蒙古高原锦鸡儿属植物遗传分化的环境与气候控制机制。

锦鸡儿属植物是内蒙古高原上的重要灌木，在维护该地区的生物多样性及固沙、水土保持和放牧等方面起着重要作用。本项目以景观遗传学的理论思想为指导，采用SSR分子标记，研究分析锦鸡儿种群的遗传结构、空间分布，及其种群间的相互关系。利用全球气候数据库的19个生物气候变量，建立气候变量、锦鸡儿种群地理距离、系统发育距离与种群遗传距离相关关系，应用线性混合效应模型，研究确定内蒙古高原锦鸡儿属植物遗传分化的主导驱动因子。研究结果表明，锦鸡儿属植物具有丰富的遗传多态性，总的多态位点百分率高达99.60%；遗传多样性丰富，Nei's基因多样性指数为0.1561，Shannon信息指数为 0.2668；这是其在内蒙古高原广泛分布的遗传基础。分布在干旱区的种类以及分布面积大的种类具有较高的遗传多样性，分布在较湿润生境，以及分布面积较小的种类遗传多样性较低。可见，对于小种群的保护尤为重要。中间锦鸡儿、短脚锦鸡儿、狭叶锦鸡儿、甘蒙锦鸡儿、荒漠锦鸡儿、柠条锦鸡儿、小叶锦鸡儿和藏锦鸡儿的遗传分化系数(GST)均大于0.15，说明遗传分化较高，有较强的适应性。特别是中间锦鸡儿（GST为0.2878>0.25）、狭叶锦鸡儿（GST为0.2703>0.25）遗传分化很高，这是它们能从典型草原到荒漠广泛分布，适应多样环境的遗传保障。聚类分析中，中间锦鸡儿和小叶锦鸡儿以及柠条锦鸡儿都有交叉，体现了中间锦鸡儿的过度性。树锦鸡儿、鬼箭锦鸡儿和红花锦鸡儿的生境较湿润与其他旱生种类差异大，其遗传距离与其他旱生种类都较远，环境对于遗传分化起到了重要作用。线性混合效应模型分析表明，季节性降水量、季节性温度、湿润季的平均温度影响锦鸡儿属植物的遗传结构；系统发育距离与遗传距离密切相关；在气候环境变化过程中，季节性降水量是影响锦鸡儿属植物遗传分化的主导驱动因子。面对全球气候变化及未来环境的变迁，应保护和合理利用锦鸡儿属植物。