基于基因组重测序研究莲属植物的物种形成及分化机制

Nelumbo, an ancient genus, comprises only two extant species, N. nucifera (Asian sacred lotus) and N. lutea (American lotus). These two species disjunctly distributed in East Asia, North Australia, and North America. The sacred lotus has a unique geographical distribution pattern, such as temperate zone and tropic zone distributions. In each climate zone, there distributed a distinct ecotype (temperate lotus and tropic lotus). In addition, the lotus plant is one of the important aquatic crops and is often cultivated for horticulture, food or medicine purpose. In order to understand what factors shaped the unique geographic distribution pattern and how the artificial selection affect the genetic differentiation between the cultivated and wild lotus, in this study, using genome resequencing method, we study the biogeography of the two disjunct distributed species, the adaptive genomics of two ecotypes of the sacred lotus, and the comparative genomics of the cultivated and wild lotus. We will reveal the roles of geographic isolation, historical climate changes, natural selection and artificial selection in shaping the process of speciation and diversification of Nelumbo. The insights gained in this study will not only enrich our knowledge on speciation and diversification of the genus Nelumbo, but also provide some baseline data for the genetic breeding of this economic important crop.

莲属为古老的水生被子植物之一，同时也是重要的水生经济作物。该属现存两物种（莲与美洲黄莲）呈现大陆间的间断分布模式，而种内呈现出分布于不同气候带且在形态上具有明显分化的生态型（热带莲和温带莲）。另外，经人工栽培已培育出多个莲品种。为了了解莲属植物特殊的地理分布模式的成因以及莲栽培品种在人工选择下的分化机制，本项目采用基因组重测序技术，通过对世界分布范围内莲属植物的广泛取样，从基因组的层面上，对莲属两物种的间断分布格局的成因，对莲两种生态型的适应性分化机制以及对莲栽培品种与其野生植物的比较基因组学等进行研究，揭示隔离分化、气候驱动、自然选择及人工选择在莲属植物物种形成及分化过程中的作用，为我们全面深入理解莲属植物的物种形成及分化机制提供资料，也为该经济作物的遗传和基因工程育种提供重要的理论。

莲属为古老的水生被子植物之一，同时也是重要的水生经济作物。该属现存两物种（莲与美洲黄莲），其中莲在形态上具有明显分化的两个生态型（热带莲和温带莲）。目前对莲属植物的物种形成及分化的机制仍知之甚少。本项目组对世界分布范围内莲属两物种（莲和美洲黄莲）进行了广泛的取样，深入开展了该属植物物种分化机制研究。经过四年的野外调查及室内实验分析，本课题组已按照计划完成所定的内容，同时根据研究结果情况适时对实验中出现的新的情况进行了安排：（1）开展了中国古代莲和美洲黄莲染色体水平全基因组测序、组装，分析了古代莲基因组古多倍化事件，揭示了古代莲基因组古多倍化后其重复基因的保留机制；并通过比较基因组学分析，揭示了两物种生殖隔离产生的遗传学机制；（2）对美洲黄莲和莲两生态型不同地理分布区自然居群代表材料进行了基因组重测序，揭示了莲属两物种及莲两生态型的遗传分化程度、进化历史并揭示了自然选择在莲两生态型分化过程中的作用；（3）基于基因组重测序数据及转录组等手段开展了莲属两间断分布物种美洲黄莲（黄色花）和莲（红色花野生莲）的花色分化的分子机理研究，揭示了两物种花色差异的遗传学基础；（4）对莲栽培品种（花莲）代表材料进行了基因组重测序并与野生莲自然居群重测序数据进行了比较分析，揭示了人工选择在莲属植物物种分化过程中的作用；（5）构建了莲属植物基因组资源数据库网站，可供国内外相关科研人员下载利用。另外，在项目执行过程中我们也对其它一些水生植物代表类群的系统发育与进化等方面进行了研究并取得了一定的研究成果。