禺毛茛复合体多物种杂交群与同域共存遗传机制的研究

The greatest puzzle in biology was how to account for the formation and maintenance of biodiversity. Closely related species sympatrically coexisting in hybrid zone provide critical insight into the mechanisms underlying speciation and the maintenance of genetic divergence. This project studies ecological niche differentiation, reproductive isolating mechanism and hybrid fitness of four different taxa using outdoor ecology observation, meiosis and pollen viability, and preliminarily understand the pattern coexistence; And gene flow, genetic diversity and genetic structure of each population are investigated using satellite molecular marker, low copy nuclear gene and chloroplast haplotype, which is to clarify the relationship among gene flow, disruptive selection and coexistence. Comparative analysis of the genetic diversity and genetic structure of populations in hybrid zone and outside hybrid zone is carried out to clarify the impact of hybrid swarm to genetic diversity and genetic structure. Comparative analysis of genetic difference, gene recombination, fitness and distribution of hybrid and parents in hybrid zone is carried out to understand the impact of hybrid swarm to adaptive evolution and sympatric coexistence. This project will deepen the theory of sympatric speciation, clarify the impact of multispecies hybrid swarm to genetic diversity, and it provides critical insight into the mechanisms underlying speciation and the maintenance of genetic divergence.

生物学的最大难题是如何解释生物多样性的形成和维系。位于杂交带的近缘物种同域共存为研究同域物种形成和遗传分歧维系机制提供了一个关键性的模型。本项目拟利用野外生态学观察、减数分裂和花粉育性实验，研究多物种杂交带不同物种间的生态位分化、生殖隔离机制和杂种适合度，初步阐明同域物种共存模式；通过利用SSR分子标记、低拷贝核基因和叶绿体单倍型研究杂交带各居群间的基因流、居群遗传多样和遗传结构，分析基因流、歧化选择和同域物种共存的关系，通过杂交带与非杂交带居群的遗传多样性和遗传结构的比较，阐明杂交群对遗传多样性和遗传结构的影响。比较杂交群中杂种与亲本之间的遗传差异、基因重组、适合度和杂种的空间分布，揭示杂交群对适应进化和同域共存的影响。本项目的开展，将深化同域物种共存的理论，阐明多物种杂交群对遗传多样性的影响，为遗传分歧维持机制提供一个新的视角，对同域物种形成理论体系的建立有重要意义。

自然界中存在的天然杂交带为探讨种间基因流动态、物种完整性维持和杂合子适应性进化提供了天然的实验室。位于杂交带同域分布的近缘物种为研究同域物种形成和遗传分歧机制提供了关键性模型，因此研究杂交带物种共存，可以进一步阐明物种形成的过程，丰富杂种物种形成理论。.1. 微卫星引物开发。本研究开发出13对扩增稳定性好的多态引物，并利用4个二倍体类群对以上引物分别进行了引物通用性检测，证明了其在4个二倍体类群中有较好的通用性。本次研究也发现多数引物显著偏离哈迪温伯格平衡，可能因为禺毛茛多倍体复合体主要以自交为主。.2．杂交带的遗传结构。本研究利用开发的微卫星引物对杂交带和非杂交带居群进行遗传结构分析，结果发现杂交在整个重叠分布区都非常普遍，无论是杂交带采集的居群还是非杂交带采集的参考居群都检测到了杂合个体，因此推测多倍体复合体的同域分布区存在广泛的基因流，使得适应性基因在同域分布区能够跨越物种的界限散播，导致一种集体进化的现象。小频率的杂交可以激发基因流通道。.5. 杂交带二倍体类群的比较转录组研究。采集了杂交带的4个个体进行转录组测序，本研究利用最近发表的直系同源基因推导方法，获得4个类群共有的直系同源基因1687条，并尝试利用以上直系同源基因构建系统树。为了检测杂交带内种间是否存在基因渐渗，本研究检测R. trigonus、R. chinensis和R. silerifolius var. dolicanthus的Patterson’s D-statistic值，进一步证实了R. trigonus - R. chinensis和R. trigonus – R. silerifolius var. dolicanthus间存在明显的基因渐渗。为了检测不同类群间的正向选择基因，本文计算了每条直系同源基因的Ka/Ks值，并利用Blast2go对筛选出的正向选择基因进行注释，发现以上基因主要为绑定功能，参与代谢和细胞代谢过程，进一步分析表明有些基因直接与抗逆和生殖隔离形成相关。