青藏高原‘四倍体韭’的多倍化物种形成研究

How many diploid species could have been involved in the formation of polyploid species has not been well studied. Strikingly, the integration of genome technology and other methods have provided a good opportunity for scientists to recover the historical process of polyploid speciation. Allium tetraploidum is distributed in the high-elevation region of the core eastern Qinghai-Tibet Plateau (QTP). The closely related species of this tetraploid include four diploid species similarly occurring in the QTP, A. cyathophorum, A. farreri, A. spicatum and A. mairei. How did A. tetraploidum originate? From single one of these closely diploids through a whole-genome duplication (WGD)? Or from some of them and even extinct ‘ghost species’ through hybridization concomitant with WGD? In this project, we aimed to use genome in situ hybridization (GISH), genomic phylogenetic reconstructions through the homologous gene sequences extracted from transcriptomes, and population genetic analyses based on multiple nuclear loci to explore origin pattern, times(s) and age(s) of A. tetraploidum. In addition, we conducted the ecological niche estimations, seed germination and seeding growth tests to examine the ecological adaption differences between A. tetraploidum and its diploid parental progenitors. Overall, these results will provide evidence for further understanding of the complexity of speciation caused by genome doubling and the diversification processes and adaptation in the QTP.

多少二倍体物种参与了现有多倍化物种的形成一直都没有很好的研究方法。近年来基因组技术和其它方法的交叉融合，为解决这一问题提供了契机。‘四倍体韭’分布在青藏高原东部的高海拔核心地区，其现存近缘二倍体物种包括杯花韭、川甘韭、穗花韭以及滇韭。‘四倍体韭’是由其中一个二倍体物种直接加倍形成的同源多倍体？还是由现有的或已灭绝的‘鬼种’中的两个或多个物种共同参与杂交形成的异源四倍体物种？与二倍体祖先种是否存在生态适应区别？针对这些科学问题，我们拟利用基因组原位杂交技术、基因组水平的同源基因系统发育分析、多位点核基因群体遗传数据的进化分析确定该物种的多倍化起源方式、次数和时间；通过比较‘四倍体韭’和其可能的二倍体亲本之间的生态位、种子萌发和幼苗生长等阐明该四倍体韭与其二倍体亲本祖先物种之间的生态适应差异。本研究结果将为深入理解基因组加倍导致物种形成的复杂性和青藏高原特有物种多样化过程及适应基础提供证据。

物种形成、杂交和灭绝是植物进化的主要驱动因子。但是，目前只有前两种情况的时间和性质可以利用分子生物学手段进行检测，而灭绝一般仅只能依靠化石记录来进行推测。已经灭绝的近缘物种很难鉴定，因为它们之间的形态特征过于相近，留存的少量化石形态痕迹不能进行区分。当灭绝类群是现存杂交物种的祖先时，利用分子生物学手段检测灭绝类群就成为可能，因为现存杂交物种的基因组中包含着来自灭绝类群的遗传物质。四倍体韭（Allium tetraploideum, 2n = 4x = 32）是青藏高原特有的葱属杯花亚属中已知的五个成员中的唯一一个多倍体物种，利用多种研究手段阐明该物种起源过程中是否存在灭绝物种，是研究青藏高原复杂气候变化过程中，物种多样性变化动态的较好选择。.研究发现四倍体韭在种子重量、气孔大小等方面存在明显的高海拔生态适应优势。转录组和叶绿体体基因组数据揭示四倍体韭与其中的两个形态较近的二倍体物种亲缘关系较近，但是计算Ks值发现可能还有一个二倍体物种参与了该四倍体韭的形成。10个位点的群体遗传学数据，发现部分基因树，只能由灭绝的二倍体参与四倍体韭的形成进行解释。SLAF的简化基因组群体遗传学证据发现最符合基因组变异图谱的四倍体韭起源进化模式为：一个灭绝二倍体，与现存的两个二倍体近缘物种，分别杂交多倍化，产生两个异源四倍体物种，它们进而通过四倍体染色体水平（同倍性）的杂交物种形成，形成现有的四倍体韭；两个四倍体祖先物种也灭绝了。原位杂交技术发现四倍体韭的32条染色体中的6条染色体同时被四个二倍体物种杂交，14条染色体被杯花韭和川甘韭杂交，2条被穗花韭杂交，而四倍体韭有10条染色体与现存的二倍体物种基因组总DNA没有杂交信号，进一步支持这部分染色体可能是来源于已经灭绝物种。与目前杯花韭亚属只有5个现存物种相比较，灭绝的物种数量非常多（有3个物种灭绝了）。该研究表明青藏高原物种多样化历史上还存在大量的灭绝物种，它们对该地区的现有物种多样化也做出了重要贡献。