基于菰与菰黑粉菌的遗传变异式样的关联分析探讨茭白的驯化

Crop domestication and origin is one of the essential topics in evolutionary biology. Jiaobai, being cultivated as the special form of a plant-fungus (Zizania latifolia and Ustilago esculenta) complex, is a popular aquatic vegetable domesticated in China. Its domestication process could imply the co-evolution between plants and fungi, which still needs more comprehensive researches. This project focuses on wild and cultivated Z. latifolia and the parasitic U. esculenta. Microsatellites markers are applied to investigate the genetic variances of Z. latifolia populations, and Amplified Fragment Length Polymorphism (AFLP) markers are used to survey the genetic variations of isolated U. esculenta strains. Model simulations with Approximate Bayesian Computation based on the genetic variations of Z. latifolia and U. esculenta are then performed to infer the domestication process of Jiaobai. Moreover, a common garden trial is established，using RNA-Seq to study the differentially expressed genes between the plant-fungus complexes with different phenotypes. With these approaches, this project is aim to infer the co-evolution between Z. latifolia and U. esculenta, reveal the genetic background for Jiaobai domestication, and provide instructions for Jiaobai breeding and conservation.

作物的驯化与起源是进化生物学的核心问题之一。茭白是起源于中国的著名水生蔬菜，它以菰－菰黑粉菌复合体的特殊形式被人类栽培，其驯化过程涉及到植物-真菌的共进化，但对这一过程尚缺乏充分了解。本项目以菰/茭白及其寄生的菰黑粉菌为对象，使用微卫星标记检测菰/茭白种群的遗传变异性；在分离培养菰黑粉菌的基础上，使用AFLP标记分析菰黑粉菌的遗传变异格局，并通过近似贝叶斯计算基于菰/茭白与菰黑粉菌的遗传变异进行模型模拟的关联分析，推测茭白的驯化过程；此外设置同质园实验，并运用转录组测序（RNA-Seq）研究不同表型的菰-菰黑粉菌复合体的差异表达基因，解析菰-菰黑粉菌的共进化关系，初步揭示茭白驯化的遗传基础，为茭白资源的保护和利用提供指导。

茭白是起源于中国的著名水生蔬菜，它以菰－菰黑粉菌复合体的特殊形式被人类栽培，其驯化过程涉及到植物-真菌的协同进化。本研究以菰/茭白及其寄生的菰黑粉菌为研究对象，使用微卫星标记检测菰/茭白种群的遗传变异性，并通过近似贝叶斯计算（ABC）对菰/茭白的驯化历史进行模型模拟；基于菰黑粉菌核基因的ITS序列分析菰黑粉菌的遗传变异格局，结合菰与菰黑粉菌的遗传变异式样推测茭白的驯化过程。此外，运用转录组测序（RNA-seq）研究不同类型的菰-菰黑粉菌复合体的差异表达基因，解析菰-菰黑粉菌的协同进化关系。主要结果如下：. （1）栽培茭白与菰之间存在非常显著的遗传分化，而且栽培茭白内部两种生态型间也有明显的遗传分化。菰自然种群呈现南北两个类群的遗传分化式样，其中南部类群内部存在显著的斑块结构，可能与地理隔离与水系连通性的共同作用有关。基于种群遗传变异的ABC模拟，推测茭白可能起源于太湖流域，约在1400年前被人类所驯化。用ITS序列研究菰黑粉菌之间的亲缘关系结果表明，寄生于栽培茭白与野生茭白上的黑粉菌之间有显著分化，栽培茭白不同生态型的黑粉菌之间也有分化，其中单季茭为较原始的类群。. （2）对野生茭白与未受感染的菰以及野生茭白与栽培茭白这两种组合在结茭时期茎的转录组的比较研究发现，自然环境中菰黑粉菌的侵染会全面激活菰的防御机制，造成物理性的代偿反应与生理上的免疫反应；相比野生茭白，栽培茭白减少了激活的防御相关基因调控通路数量，而且通路中关键基因的表达量也相对下调，提示人工选择（驯化）弱化了寄主与寄生真菌的对抗关系，从而形成了对应的驯化性状。.