生物适应持续变化环境的基因组机制及物种形成新理论研究

Adaptation to continuously changing environments is one of the hottest topics and also the most difficult issues in evolutionary biology. In this study, we will use mangroves as a study system from the Indo-West Pacific (IWP) region, where biodiversity is the richest in global intertidal zones. Based on the available whole genome sequences of three typic mangrove species and population genetics data, we shall use next-generation highthroughout re-sequencing and population genomics analysis approaches, combining with math model and computer simulation in special research systems including three classical geographical patterns (allopatric, sympatric, parapatric speciation), to study the genomic mechanisms of adaption of these important intertidal species to continuously changing environments, and reveal historical and evolutionary causes why there is an extremely high biodiversity of species in the intertidal zones of the IWP region. With the observation system of mangrove population genetic patterns in genomic level in this region, we will raise, construct and test new theoretical models of speciation mechanisms of adaptation to continuously changing environments. This research will provide valuable and significant theoretical approaches and examples in understanding the patterns and mechanisms of organisms to survive, adapt and evolve in continuously changing environments.

生物对持续变化环境的适应是进化生物学领域的研究热点和难题。以世界潮间带物种多样性最丰富的印度-西太平洋(IWP)地区的木本植物红树为研究对象，在已测定和获得了的3种代表红树植物全基因组序列和已有的群体基因组学理论研究平台的良好基础上，采用基于第二代测序技术的群体基因组重测序方法，结合数学建模和计算机模拟，在包含3种经典地理模式(异域、邻域和同域式物种形成)的特殊研究系统中，从全基因组的角度解析生物对持续变化的环境适应的基因组机制，揭示IWP地区潮间带物种多样性极高的历史和进化原因；在此基础上和以该地区红树植物为观测系统，提出、建立和检验生物适应变化的环境的物种形成新理论模型。这一研究将对从全基因组层面全面认识生物在自然界持续变化的环境中生存、适应和演化模式与机制提供有价值的重要理论方法与实证。

生物适应持续变化环境以及物种形成的机制是进化生物学领域的研究热点与难点。我们聚焦具有重要生态功能的红树植物，首次建立了世界上最大的红树植物高质量全基因组和转录组数据库。基于这些大数据分析，估算出红树族植物祖先在约5000-7000万年前发生了全基因组复制，随后进入海岸潮间带成为红树。发现分属不同类群的红树趋同地表现出罕见的氨基酸使用模式和基因组转座子缩减等可能帮助红树适应潮间带环境的基因组学特征。基于基因组重测序数据，发现白骨壤三个变种间的遗传分化与生态适应相关，红树属下近缘物种红茄苳和红海榄在基因流存在的条件下存在基因组岛的特征，而杯萼海桑群体间存在与海平面波动相关的遗传分化和混合。我们提出“隔离-混合-隔离”（MIM）物种形成机制在马六甲海峡和托雷斯海峡都起到很强的作用。通过计算机模拟实验，首次从理论上指出仅依靠基因组数据无法解答“物种形成过程是否存在基因流”的重要问题，包括生殖隔离基因检测或者地理屏障确定等是很有必要的。因此，沿海岸带线性分布的红树很适于用作物种形成研究的模式生物。我们的这些原创性成果，阐释了红树植物适应潮间带环境的基因组机制，为研究间断基因流下的物种形成理论提供了实例和数据支撑。从理论上初步建立了包含异域、邻域和同域三种模式在内的MIM物种形成新模式。研究成果发表在National Science Review, Molecular Ecology, BMC evolutionary biology 等本领域权威期刊（共22篇SCI论文）。建立的涵盖了全基因组，群体重测序基因组，转录组和Sanger测序等的红树植物数据库为国际同行进行红树林保护研究提供了基础，也推动了红树植物逐渐成为研究物种形成的模式生物。