同倍化杂交种棱果沙棘物种形成中选择机制的转录组学研究

Speciation is a process of establishing and maintaining of the reproductive isolations between closely related species, and it is possible to study the molecular mechanism of variation, selection and adaption in course of speciation with the appearance of omitics technology in nowadays. Hippophae goniocarpa Lian, Chen et Sun identified as a homoploidizatinal diploid hybrid in our previous research, has a intermediate distribution between its parental taxa, H. rhamnoides L. subsp. sinensis and H. neurocarpa, implying that there is a kind of extrinsic barrier under the selection of adaptive difference of inhabits. On the other hand, an intrinsic barrier between homoploidizational hybrid was revealed by prior study of hybridization experiments of selfing and various cross combinations. In this project, we will apply the RNAseq method to detect the gene expression differences responding to the low temperature, high radiation and thin oxygen on Qinghai-Tibeta Platoeu among allopatric populations of the taxa, and investigate the molecular basis of pollen-style interaction which is responsible for the variable results of the selfing of the hybrid species and crossing with its parental. The proposal will shed light on the evidences for interactions between genomes and inhabit-genome contributing to the speciation of the hybrid species, and provide the very significance of transcriptomics bais of selection during the process.

物种形成是建立和维持生殖隔离的过程，“组学”技术的出现为研究这一过程中变异、选择及适应的分子机制提供了可能。沙棘属植物中被鉴定为二倍体同倍化杂交起源的棱果沙棘与其双亲物种肋果沙棘及中国沙棘之间在地理上为海拔梯度的过渡分布，存在基于生境适应性差异等生态选择作用之上的外源选择障碍，自交及杂交实验显示棱果沙棘已建立起了与亲本种之间遗传不亲和性基础上的内源选择障碍。本项目拟利用RNAseq等“组学”技术研究棱果沙棘杂交起源过程中异域分布物种应对低温缺氧等海拔差异选择作用下的基因表达基础，同时比较研究同域分布的棱果沙棘自交及与亲本物种之间杂交时花粉柱头互作引起生殖障碍差异的分子通路机制，从而为从表达水平揭示基因组间及基因组生境间互作在同倍化杂交种棱果沙棘物种形成和隔离机制建立与维持过程中的外源和内源选择提供证据，该工作对研究雌雄异株植物同倍化杂交起源过程中选择作用的转录组学基础等也具有重要的意义。

物种形成是生殖隔离建立与维持的过程，其内在分子变异、选择及适应是进化生物学的基础问题。棱果沙棘为沙棘属二倍体同倍化杂交种,本项目以青海祁连日旭村棱果沙棘与双亲中国沙棘和肋果沙棘形成的杂交带及异域不同海拔分布的两个亲本物种共３７份材料，利用Illumina二代测序平台结合PacBio三代平台的RNAseq转录组数据，比较了以群体、物种和混合等不同的三种组装策略，获得准确度达到99.54%的中国沙棘Unigene281671条和肋果沙棘214928条，棱果沙棘三代全长达到17026bp。在利用OrthoML在二代数据中获得的直系同源基因的基因树和三代数据的叠合性验证了棱果沙棘杂交起源的基础上，利用丰富的SNP杂合位点挖掘4个棱果沙棘代表个体中发生的基因转换及构成的单体型块，比较显示向中国沙棘的转换为向肋果沙棘转换的2-3倍，表明日旭村的棱果沙棘个体在杂交起源后经历过以减数分裂为基础的有性生殖，推测至少发生了F1杂种的自交或向双亲的回交事件。利用PAML等工具在三种沙棘的直系同源基因簇中找到17个发生了达尔文正选择的基因，多与转录水平调控、光合作用及UV-B辐射有关，以 NBA1/MERIT40为代表显示DNA损伤修复等过程在中国沙棘和肋果沙棘种间发生了快速分化。中国沙棘种内不同海拔群体间的DEGs分别与代谢过程、核糖体、植物激素信号转导、内质网蛋白质加工有关等生物过程及热激蛋白HSP基因、谷胱甘肽S-转移酶GST等分子功能有关，而肋果沙棘差异表达的基因较少，主要与核糖体、内质网的蛋白质加工、氧化磷酸化等生物过程有关，表明中国沙棘与肋果沙棘具有相似但明显不同的海拔适应机制。杂交种棱果沙棘与两个亲本种相比有更多的上调表达和较少的下调表达基因，上调基因主要与次生代谢物质合成、激素应答、光合作用及免疫抗性通路相关，表现出一定的杂种优势。本项目的研究结果为揭示基因组间及基因组生境间互作在同倍化杂交物种形成过程中的外源和内源选择提供数据基础。