鹅掌楸属(Liriodnedron)是木兰类(magnoliids)木兰科(Magnoliaceae)植物。木兰类植物是被子植物中较早分化出来的一支,也是核心被子植物(Mesangiospermae)中除单、真双子叶植物之外的第三大类群,但先前还未见到木兰类代表性植物的全基因组测序完成的报道。另外,被子植物的起源与演化一直是植物学、古生物学以及演化生物学研究中的焦点,但目前在学术界对核心被子植物内部的系统发育关系观点仍然持有商榷。鹅掌楸属植物现存仅两个种。一个是天然分布于东亚地区——主要分布于中国的鹅掌楸(L.chinense(Hemsl.)Sargent.),另一个是天然分布于北美东部地区的北美鹅掌楸(L.tulipiferaLinn.)。横跨广袤太平洋的两个种,组成了植物进化研究中一对典型的呈东亚-北美东部洲际间隔分布姊妹种。开展鹅掌楸属两个种在群体遗传与演化方面研究,对于理解东亚与北美东部地区第三纪孑遗植物区系的间断分布具有重要意义。然而,目前还尚未见到对这一对姊妹种在全基因组水平上的群体遗传结构和群体演化等方面的研究报道。生物演化和经典植物分类上,生殖隔离是判断一个生物种分类单位是否成立的重要依据。鹅掌楸和北美鹅掌楸虽经历了1,000万年到1,600万年左右的洲际分化,但二者之间的形态学特征与物侯特征仍有较多近似,且可通过人工授粉获得具有明显杂种优势的种间杂交种。但是,鹅掌楸和北美鹅掌楸在某些性状上产生了明显的表型分化,尤其是叶片的凹缺深度、叶裂方式和花瓣的着色模式等表型特征。然而,这些表型趋同和分化特征背后的遗传基础和分子调控机制尚不明了。因此,从鹅掌楸和北美鹅掌楸的全基因组测序和信息解码入手,将有利于挖掘这对姊妹种表型性状分化的关键影响因子和潜在基因,为未来基于基因组的选择育种以及鹅掌楸的杂交育种提供遗传基础。基于以上背景,本研究对鹅掌楸属植物进行了全基因组测序和组装,并深入研究了鹅掌楸属这一支系在被子植物演化中的系统发育地位、鹅掌楸属植物群体演化以及花瓣着色模式这一生殖生物学性状演化的分子遗传基础等问题。主要研究结果如下:1.鹅掌楸基因组从头测序与组装高质量的测序和组装,是全基因组遗传信息解码的关键。本研究通过整合Illumina和Pacbio测序及BioNano图谱技术,获得了鹅掌楸约1.74Gb的基因组组装,Contig和ScaffoldN50长度分别为1.43Mb和3.53Mb。基于一个高密度遗传图谱,获得了鹅掌楸拟染色体水平的组装结果。鹅掌楸基因组共编码35,269个蛋白编码基因。共线性分析显示,鹅掌楸这一支系在11,600万年前发生过一次二倍化的全基因组加倍事件。重复序列占了鹅掌楸基因组的61.64%,其中以LTR逆转座子最为丰富。根据LTR侧翼序列的Ks值估算,转座元件的爆发时间约在1,600万年前。上述结果表明,鹅掌楸基因组的演化是一次古老的全基因组加倍事件和一次近期的重复序列爆发事件共同作用的结果。2.木兰类植物系统发育与演化地位的定位基于18个陆地植物的基因组及转录组数据,利用系统基因组学方法鉴定到502个适用于系统发育分析的低拷贝直系同源群(orthogroups,OGs)。首先,单基因树的拓扑结构分类结果显示,这502个OGs无偏支持三种拓扑结构,即(Ⅰ)(基础被子植物,(单子叶,(真双子叶,木兰类)));(Ⅱ)(基础被子植物,(真双子叶,(单子叶,木兰类)));(Ⅲ)(基础被子植物,(木兰类,(单子叶,真双子叶)))。其次,基于预定义的三种拓扑结构,检测这些OG的系统发育信号,结果显示支持三种拓扑结构的OG数量相当。第三,基于502个OG单基因树的溯祖分析,支持拓扑结构Ⅲ。最后,单、真双子叶植物支系特有的基因家族鉴定显示,鹅掌楸基因组中的单、真双子叶植物特有基因家族的比例关系与基础被子植物无油樟的类似,二者之间无差异显著。据此推测,核心被子植物祖先在分化形成木兰类、单子叶和真双子叶三大植物支系时经历了十分快速的分化过程,因而导致了这三大支系之间系统发育关系模糊。本文结合单基因建树、多基因溯祖分析以及支系特有基因家族鉴定等分析,趋向于支持木兰类植物这一支系的形成,要稍早于单、真双子叶植物的分化这一假说。3.鹅掌楸属植物群体结构特征与演化轨迹根据鹅掌楸属不同种源的个体SNP数据构建的系统发育树显示,鹅掌楸属可以明显划分为三个类群,即鹅掌楸的中国东部和西部种源,以及北美鹅掌楸种源。其中,鹅掌楸的中国东、西部种源之间可以明显区分开,而与鹅掌楸中国西部种源相比,北美鹅掌楸的种源更靠近鹅掌楸中国东部种源。结合两个已灭绝鹅掌楸物种的化石记录的叶型,推测鹅掌楸在中国大陆的东、西部种源间的分化,可能要早于鹅掌楸与北美鹅掌楸的洲际分化。群体遗传多样性检测显示,鹅掌楸中国西部种源具有较高的遗传多样性,鹅掌楸中国东部种源次之,而北美鹅掌楸种源的遗传多样性较低。PSMC分析显示,鹅掌楸在第四纪冰川中古乡冰期与聂聂雄拉冰期之间的间冰期,发生过一次群体恢复事件,可能有利于鹅掌楸群体遗传多态性的恢复与保留。而相对而言,整个北美大陆一直处于第四纪冰川大面积冰川覆盖中,北美鹅掌楸在这期间一直保持着群体持续衰减趋势,直到倒数第二冰期到达瓶颈,这可能导致北美鹅掌楸种源群体丢失了大量的遗传多样性。4.北美鹅掌楸基因组为开展鹅掌楸属比较基因组研究,基于高深度的Pacbio测序,获得了北美鹅掌楸约1.74Gb的基因组组装草图,ContigN50长2.26Mb。基于Hi-C数据,有2,064条Congtigs被锚定到了19条北美鹅掌楸的拟染色体上,大小约为1.73Gb。北美鹅掌楸基因组共编码40,057个蛋白编码基因。BUSCO评估显示,北美鹅掌楸基因组组装结果覆盖了94.24%的保守植物的基因集。此外,基于鹅掌楸与北美鹅掌楸统一标准的重复序列注释,发现这两个姊妹种共享了近期的LTR爆发事件。最后,基于鹅掌楸与北美鹅掌楸基因组组装结果,鉴定了鹅掌楸中包括SNPs、插入和删除在内的变异位点集合,发现变异位点的分布模式均是以基因间区为主,内含子区次之,外显子区最少。5.鹅掌楸与北美鹅掌楸花色差异的遗传基础植物花器官结构和功能的演化,尤其是花色和花瓣的着色模式在种子植物的繁衍过程中具有十分重要的生物学意义。鹅掌楸属两个种在花瓣着色模式上产生了十分显著的分化。北美鹅掌楸花瓣近基部位置有一条橙黄色条带,而鹅掌楸花瓣呈通体浅墨绿色,没有这条橙黄色带。基于花瓣发育时间序列转录组以及两组比较转录组,在北美鹅掌楸花发育过程中,鉴定到了一个最终导向类胡萝卜素生物合成的通路级联在花瓣色带处被特异转录激活。北美鹅掌楸和杂交鹅掌楸花瓣的类胡萝卜素靶向代谢组分析显示,γ-胡萝卜素是其最有可能的花瓣呈色色素。花瓣分区表型鉴定与转录组分析发现,北美鹅掌楸花瓣近基部色带区域的转录组信号通路在色素沉着之前就已建成,在后续的着色过程中,色带处的叶绿素生物合成则被特异性抑制,而类胡萝卜素生物合成被特异性激活,使花瓣基部呈现橙色色带。胡萝卜素生物合成的两个限速酶(CRTISO和ε-LCY)在北美鹅掌楸花瓣基部色带着色过程中发挥着重要作用。基于鹅掌楸、北美鹅掌楸及杂交鹅掌楸LCY基因的鉴定和表达定量分析发现,北美鹅掌楸具有额外的ε-LCY拷贝,推测其可能发生了新功能化,具有将蕃茄红素或其它胡萝卜素催化形成γ-胡萝卜素的新功能。综上所述,鹅掌楸与北美鹅掌楸植物的全基因组序列的破译,将有助于更好地理解鹅掌楸与北美鹅掌楸在基因组层面的遗传分化,有利于进一步挖掘鹅掌楸属植物重要材性和园艺性状相关基因。同时,这两个鹅掌楸属植物基因组为该属植物的分子育种和遗传改良研究提供了宝贵的遗传资源,也为杂交鹅掌楸杂种优势的研究与利用奠定了坚实基础。