基于转录组测序和居群基因组学的海桑属适应性进化研究

生物对自然环境的适应一直是进化生物学研究的热点。近年来第二代高通量测序技术的发展使基因组水平的非模式生物适应性进化研究得以实现。海桑属物种适应于不同盐度的潮间带环境，并且同一物种的不同居群呈现强烈的遗传分化，是研究非模式生物适应性进化的优良材料。本研究在申请人对海桑属的研究基础上，采用第二代高通量测序技术Illumina，在物种水平上，测定海桑属所有6个物种的转录组序列（RNA-Seq），通过物种间的分子进化分析，检测受到正选择的基因；在表达水平上，比较本属强耐盐物种杯萼海桑和弱耐盐物种海桑在盐处理条件下的转录组差异，筛选出耐盐相关和物种分化相关的基因或者通路；在居群水平上，以杯萼海桑为对象，采用居群基因组学方法研究中国海南南北居群的遗传多态性和遗传结构，揭示自然选择和其他进化力量在居群分化中的作用。从基因组水平揭示海桑属物种和居群适应性分化的遗传基础和适应海海岸潮间带极端生境的机制。

生物对环境的适应是一个非常有趣的进化生物学问题。红树植物海桑属提供了一个研究生物适应性进化的优良系统。本研究采用转录组学和群体基因组学方法揭示了海桑属物种和群体适应性分化的遗传基础和适应海海岸潮间带极端生境的机制。主要结果如下：1）我们采用新一代高通量测序技术测序、组装和注释了海桑属四个物种的转录组序列；2）基于这些转录组序列，我们采用PAML中的site model鉴定了海桑属中200多个受到正选择的基因，采用branch-site model鉴定了各物种有30-70个基因受到正选择；发现海桑属物种中在四千万年前有一个古基因组加倍事件；鉴定了海桑属中具有1355个保守的选择性剪切事件，它们可能在海桑属适应极端的潮间带环境中发挥了重要作用；3）通过60个核基因的杯萼海桑群体混样测序，发现海南居群内部没有发现遗传变异，但东南亚的居群内均具有一定水平的遗传变异，其中西部居群的遗传多样性明显高于东部居群的遗传多样性。西海岸居群高水平的遗传多样性可能与近期的群体混合有关。中国海南居群和东海岸居群之间几乎没有遗传分化，而东西海岸居群之间在部分基因上没有遗传分化，而在少数基因上存在强烈的遗传分化。这可能是因为第四纪冰期时反复的海平面下降造成的长期的隔离而形成。结合其他红树物种的全球分布模式，发现在红树植物的群体演化和物种形成历史上，马六甲海峡起到了关键的作用。地史上全球变化(海平面上升和下降)是导致该地区当今红树植物地理分布格局的最主要和直接原因。据此提出一个新的物种形成理论假设，即MIM(多次隔离迁移模型)；4）我们分析了杯萼海桑在盐胁迫条件下的表达谱，鉴定了一大批与耐盐相关的基因，包括渗透调节、离子转运、抗氧化等相关的基因；我们进一步对其中的FeSOD基因及Cu/Zn SOD基因进行了克隆并发现它们具有很高的活性及稳定性；5)我们利用13个核基因的序列建立了海桑属的系统发育，确定本属一个稀有种格氏海桑在海桑属内的系统发育位置，发现格氏海桑和无瓣海桑为姐妹种；6）我们将在海桑属中发展的通过核基因验证自然杂交的方法扩展到红树植物卤蕨属、白骨壤属和热带地区植物野牡丹属的自然杂交，结果表明卤蕨和尖叶卤蕨的杂交以及白骨壤属的Avicennia marina和A. rumphiana之间的杂种只限于F1代，而野牡丹属的多花野牡丹是野牡丹和毛菍的杂交产生，并且存在广泛的双向的渐渗。