秦岭主要栎类树种分化及生态遗传学研究

来源 :中国林业科学研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:heatsnow
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栎属(Quercus L.)普遍存在种间自然杂交和基因渐渗现象。对栎属渐渗现象进行研究,有助于揭示栎属物种形成、局部适应等进化事件的机理。栎属树种在秦岭山地表现初典型的还把替代分布特征,本研究分别在秦岭的西部小陇山国家级自然保护区、秦岭中段太白山国家级自然保护区、秦岭东部河南宝天曼国家级自然保护区按100 m海拔间隔进行取样,包括白栎组物种[辽东栎(Quercus wutaishansea Mary)、锐齿槲栎(Quercus aliena Blume var.acutiserrata Maximowicz ex Wenzig)和短柄枹栎(Quercus serrata Thunb.var.brevipetiolata A.DC.Nakai)]和麻栎组物种[(栓皮栎(Quercus variabilis Bl.)和麻栎(Quercus acutissima Carruth.)],采用2b-RAD简化基因组测序技术以探明栎类群体遗传结构和海拔之间的关系。在每个栎类物种的纯林分布区,对五种栎树进行取样,通过比较基因组学从核质基因中筛选出正选择基因,通过基因的功能推测和探究栎类树种适应性进化的分子机理。主要结果如下:1.本研究基于简化基因组测序开发的全基因组SNPs,对220个样本进行Structure分析、主成分分析及物种树构建,揭示了秦岭地区五种栎树群体遗传结构特征,发现秦岭地区五种栎树各群体遗传多样性较低,分布于较高海拔的辽东栎、锐齿槲栎和短柄枹栎群体遗传多样性高于栓皮栎和麻栎。种间基因渐渗比例较高,共检测出103个基因渐渗个体,其中陕西太白山样本R-3、R-23两个体基因混合系数接近0.5,疑似杂交一代个体。辽东栎、锐齿槲栎和短柄枹栎之间基因渐渗方向呈双向,但在栓皮栎和白栎组物种间只能从栓皮栎渐渗入白栎组物种,各物种的渐渗程度与海拔呈线性相关,陕西太白山样地最突出(R2=0.8653和0.8691)。2.五种栎树叶绿体基因组比较分析。加入分析的树种包括辽东栎、锐齿槲栎、短柄枹栎、栓皮栎和麻栎,另外加入了8个壳斗科物种进行比较分析。栎类树种叶绿体基因组非常保守,但是基因组长度存在差异,IR/SC边界的侧翼基因进入也存在微结构差异。本研究还分析了核苷酸变异位点,检测到若13个高变异位点,如mat K-rps16、trn S-GCU-trn G-GCC、trn G-GCC-trn R-UCU、trn T-GGU-psb D、ycf3-t RNA-GGA、trn F-GAA-ndh J、trn M-CAU-atp E、rpl32-t RNA-UAG,仅有少数高变异位点位于编码区,如ndh J、atp E、ndh F、ndh D、ycf1。有4个分布于叶绿体基因组的SSC区,分别为ndh F、rpl32-t RNA-UAG、ndh D、ycf1,其余9个高变异位点位于LSC区。其中,ndh F和trn T-GGU-psb D基因间隔区的分化程度最高。上述结果为后续分析提供候选分子标记。对辽东栎、锐齿槲栎、短柄枹栎和栓皮栎叶绿体基因进行选择压力分析,检测到基因rps12,pet A,ndh A,ndh B,ycf1五个基因的Ka/Ks>1;而对本研究中白栎组物种叶绿体基因和栓皮栎进行比较分析,发现基因pet A受正选择,为栎属物种在适应不同海拔环境时的差异提供了可能的解释。3.五种栎树比较转录组学分析。对辽东栎、锐齿槲栎、短柄枹栎、栓皮栎、麻栎进行了比较转录组分析。原始数据经过质控,clean reads分别为62,588,802(辽东栎)-96,373,990(短柄枹栎),组装,聚类得到35,527(辽东栎)-72,737(短柄枹栎)个unigenes,被注释的unigene为62.73%(栓皮栎)-72.60%(辽东栎)。筛选出单拷贝直系同源基因,用于选择压力分析和系统发育树的构建,检测出86个正选择基因,经过GO注释和KEGG富集检测出植物碳代谢(Carbon metabolism)RBCS,核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶小亚基基因。RBCS具有低温光合保护机制,这一发现可能进一步地阐明了气候区或生态位不同的栎属树种之间遗传分化的发生原因,加深了对栎类树种对环境适应性的了解。本次分析补充和完善了栎属基因数据库资源,为今后开展与栎属相关遗传学以及组学方面的研究提供了基础资料。综上所述,通过群体遗传结构分析,发现栎类树种同组间更容易发生种间渐渗,发生种间渐渗的程度与海拔具有线性相关性。在选择压力下,栎类树种的光合相关基因例如pet A基因和碳代谢相关基因RBCS受到强烈正选择,推测与环境适应性相关。本研究结果为深入认识栎类树种响应和适应环境变化提供了分子证据。
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