爵床科恋岩花属植物对中越喀斯特地貌的适应性进化研究
批准号:
32070363
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
高春明
依托单位:
学科分类:
植物资源保护与利用
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
高春明
中文摘要
生物的适应性进化一直是生态学和进化生物学的热点问题。中越喀斯特地区具有复杂的地理环境,植物多样性特有性突出,是研究植物适应性进化的天然实验室。爵床科恋岩花属有7种,间断分布于中越边界及西喜马拉雅地区,前期的研究表明中越喀斯特地区的恋岩花属植物为单系类群,物种形态及微生境分化明显、分布区相对独立、群体遗传分化强烈,是研究喀斯特植物适应性进化的典型材料。本项目以中越喀斯特地区特有的六种恋岩花属植物为材料,利用新一代高通量测序技术开展非模式植物的适应性进化研究:(1)基于群体基因组学探讨其适应喀斯特地貌的遗传进化机制;(2)分析恋岩花属植物根际微生物群落多样性;(3)结合根际微生物宏基因组与根系转录组数据,探究植物与根际微生物互作对喀斯特特殊土壤的适应模式。本研究将推动爵床科的研究向更深层次发展,同时为探索植物适应特殊生境提供范例,也为理解喀斯特植物起源演化及特有现象奠定理论基础。
英文摘要
Adaptive evolution to natural environment has always been a core scientific problem in the field of Ecology and Evolutionary Biology. Because of the complicated geographical environments, Sino-Vietnamese karst region provides a natural laboratory for researching on adaptive evolution of plants. Among the seven species of Echinacanthus (Acanthaceae), one was distributed in the West Himalayan region and six were restricted to the Sino-Vietnamese karst region. Previous studies showed that Sino-Vietnamese karst group of Echinacanthus was a natural group and had obvious differentiation among species. Hence, it provided an important model for understanding the adaptive evolution in Sino-Viernamese karst region. In this study, Sino-Vietnamese karst group of Echinacanthus was a model system and the next-generation sequencing technique was employed to study adaptive evolution of non-model plants. Firstly, the genetic mechanisms of adaptive evolution will be investigated based on population genomics. Secondly, diversity of rhizosphere microorganisms will be analyzed. Thirdly, co-evolutionary associations between rhizosphere microorganisms and root transcriptomes will be discussed to infer the adaptation to the soil environment. This study is of great significance to further study of Acanthaceae. It will provide a good example of adaptation to special habitats and will be helpful for research work of limestone karst in origin, evolution and endemism.
恋岩花属为爵床科非单系属,其6个物种为中越喀斯特特有植物,本项目围绕它们适应喀斯特地貌做了以下研究:(一)遗传进化机制研究(1)全基因组:黄花恋岩花和长柄恋岩花基因组(2n=28)大小分别为407.78和393.18 Mb,比较基因组学检测到镁离子转运基因MRS2、NIPA8,钙转运ATP酶基因 ACA2、ACA12,钙离子结合蛋白EF-hand基因,双孔钙通道蛋白基因TPC1A等受显著正选择,属于该属适应喀斯特地貌的关键基因;(2)群体基因组学: 33个居群209个个体的群体基因学研究表明恋岩花属分为两个分支,物种间有显著的地理构造,推测它起源于广西龙州地区,受地质变化和气候影响,分别向云贵高原、弧形山脉、低地势地区分化形成不同物种及群体,居群间有较高的遗传分化,形成典型的“陆地-岛屿”结构;(3)线粒体基因组:长柄恋岩花线粒体基因组包括2个环,3个线形结构,总长度是810,200 bp,GC含量是42.4%,共 61个基因,其中ccmB基因受到了正选择,被认为是与喀斯特地貌逆境适应相关的候选基因。(二)植物-微生物学互作机制初步研究(1)群体根际微生物多样性:对33个样品的根际微生物16s全长扩增子和ITS测序发现,该属根际微生物多样性突出,优势细菌为变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、拟杆菌门,优势真菌为被孢霉菌、腊壳菌、镰刀菌、Gymnopus、Cordyceps、Helotiales和Pseudocoleophoma;(2)基于宏基因组学的根际微生物功能分析:该属微生物多样性突出,细菌较多,真菌较少,主要以酸性菌门、放线菌门、变形菌门下菌属为主体,通过增强营养物质代谢和循环,能量产生和转换,细胞膜转运和信号传导等来调节土壤pH值,降解物质提供营养,促进植物对碳、氮的吸收,增强植物抗性及促进生长,以适应喀斯特土层浅薄、营养成分缺乏、蓄水力差的环境;(3)基于代谢组学的植物-微生物互作:该属植物根系代谢物主要是脂类、有机杂环化合物、有机酸、苯丙素类和聚酮类、苯类化合物、有机氧、氮化合物等,比较发现不同物种间代谢物有一定差异,且与特定微生物之间有显著相关性,有助于不同物种显著的微生境分化。
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