旱生泌盐植物长叶红砂特有逆境适应因子识别及功能鉴定

Adaptation is the response of a species to environmental change. Identifying the genetic variation and their molecular mechanism in the process of adaptation is the core content in evolution biology. Numerous wild plant species exhibit strong adaptability to extreme environment, and has probably evolved distinct and efficient adaption strategies response to the adverse environment. Reaumuria trigyna is an endangered dicotyledonous shrub with the features of a recretohalophyte. This species is endemic to the Eastern Alxa–Western Ordos area, a salinized desert in Inner Mongolia. To study the adaptive mechanisms allowing it to tolerate the stress imposed by the adverse habitats, we identify single nucleotide polymorphism (SNP) data by using restriction-site associated DNA sequencing (RAD-seq) technology, and perform population genomics study on R. trigyna. Following population genetic structure analysis, and fully considering the influence of heterogeneous habitats on the adaptability of different populations, we would identify SNPs that representing adaptive genetic variations on the levels of population, subpopulation and the whole species, and locate these loci on the genes of R. trigyna transcriptomic data. Finally, through gene expression profiling analysis and plant transforming experiments, we will systematically study the influence of the variation on gene function, metabolic pathway and cellular process, and elaborate the correlation between the genetic variation and the population fitness. The study will prompt studies on the molecular mechanisms of adaptive evolution, and provide insight into the discovery of unique adaption elements in R. trigyna. The results of this study can also further extend the knowledge on the environment adaption, refuge and evolution of the germplasm resources that survive in Ordos area.

适应是生物对外界环境变化的响应。识别适应过程中的遗传变异及分子机制是进化生物学的重要研究内容。大量野生植物对恶劣生境具有极强适应性，可能进化出了独特和高效的逆境适应策略。本项目以东阿拉善-西鄂尔多斯地区特有泌盐植物长叶红砂为研究对象，以研究其逆境适应机制为目的，借助RAD-seq技术获取SNP数据，开展种群基因组学研究，在明晰其种群遗传结构的基础上，充分考虑异质生境对不同种群适应性的影响，从种群、亚种群及物种层面识别生境适应遗传变异及关联基因，通过基因表达特性分析及植物转化技术系统鉴定SNP变异对特定基因功能、代谢通路、细胞过程等的影响，阐释它们与不同种群适合度的相关性，揭示它们在逆境适应中的分子基础。项目的实施将有望挖掘出长叶红砂适应逆境的特有元件，在其逆境适应分子机制研究上取得突破，为挖掘其优质抗逆遗传资源开辟新思路，为了解该区域特有种质资源的避难、演化及适应机制积累科学依据。

长叶红砂是东阿拉善-西鄂尔多斯地区的特有泌盐植物，对盐渍荒漠具有极强适应性，是研究植物逆境适应的良好材料。为探明该植物生存现状，解析其在恶劣生境和人类活动压力下的适应策略，本项目对该物种分布范围内生境异质性较强的8个种群进行了研究，借助RADseq技术构建了含有96232个高质量SNP的数据集，开展了该物种群体基因组学研究，识别了潜在生境适应SNPs及基因，探讨了相关适应机制。主要结果如下：1.长叶红砂在物种水平具有较低遗传多样性，期望杂合度（HE）和观测杂合度（HO）分别是0.208和0.249；8个种群中，YH遗传多样性相对较高（HE=0.224，HO=0.271），WD反之（HE=0.133，HO=0.139）。2.8个种群的整体遗传分化程度较低，大部分变异（98.24%）发生在种群内，种群间平均遗传分化系数（FST）为0.043；WD与其他种群间的平均FST为0.065，具有中等遗传分化程度；种群间遗传距离与地理距离显著相关，地理距离可能是群体分化格局形成的主导驱动因素。3.Admixture聚类、主成分分析及系统发育分析显示，8个种群具有4个亚群的细微遗传结构，WD最为独立。4.基因流分析表明，种群间基因流由北向南流动，BL可能是向南扩散的祖先种群，QP向其南部邻近种群（BY）的迁移量最高，而因黄河隔离向其西南种群（DW）的迁移量最低。5. 通过等位基因频率统计，共鉴定到3513个离散SNPs，其中251个SNP对应的RADtags比对到转录组中的243个基因上；植物激素调节和次生代谢物合成相关基因AP2/EREBP、E3 ubiquitinprotein ligase、FLS、4CL可能在该植物逆境适应中发挥关键作用。6.识别了长叶红砂同域分布植物四合木的genic-SSR，分析了其类型、频率、在基因中的位置等特性，开发了多态SSR标记；调查了该物种的遗传多样性及遗传结构，揭示该物种具有中高水平遗传多样性（HE=0.526，HO=0.435），群体间具有广泛基因流动；通过物种间比较，加强了对两个物种种群遗传特性的理解。本项目摸清了长叶红砂的遗传多样性，探讨了基因流、地理距离等因素对其种群分化格局形成的影响，把逆境适应研究具体到了SNP变异及特定基因上，为进一步挖掘该植物生境适应特有元件及代谢通路提供了方向，为该物种的种质资源保护和利用增添了新科学依据。