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多倍体物种的适应机制:基于蓍属异源四倍体及其亲本物种的比较研究

批准号:
32070234
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
郭延平
依托单位:
学科分类:
植物系统发生与进化
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
郭延平

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
杂交-多倍化被认为与植物的适应性演化密切相关,其机制可能是增加了植物基因组的复杂性及其基因表达的变异能力,从而增加了表型可塑性。然而这些理论推测缺乏针对野生物种的实验证据。要验证上述问题,需要一个亲子关系简单清晰、具备扎实群体遗传学和表型多样性研究基础,且各方面实验操作可行的多倍体研究体系。本项目拟利用具备上述条件的东亚蓍属“二倍体-四倍体”亲子代物种体系,利用同质园种植、环境单因子控制栽培实验和人工杂交、多倍化实验,分析若干适合度相关形态性状的变异范围和式样,并对实验材料的基因表达模式进行分析,获得从基因到表型的数据。将这些数据进行多重对比分析(同质种植条件下的物种间;人工构建的杂交多倍化群体与自然群体之间;控制实验的处理组间),检测二倍体和多倍体物种的表型可塑性变异,建立 “基因型-基因表达-表型-适合度”的实验证据链条,检验异源多倍体物种的适应性并探究其机制。
英文摘要
It has long been proposed that polyploids have increased environmental robustness than do their diploid progenitors, potentially leading to evolutionary advantages. But this hypothesis lacks strict empirical evidence. The mechanisms of the polyploid adaptation may be attributed to the increased genetic variation due to genome doubling and recombination which can potentially affect the variability of gene expression patterns, and act subsequently on morphology and physiology traits. Moreover, phenotypic plasticity, per se, as a kind of traits, may also lead to alterations of ecological conditions. To test those hypotheses, there needs a suitable well-studied model polyploid system which has clear progenitor-progeny genealogy and feasibility for laboratory practice. This project attempt to carry out a comparative study using our well-studied diploid-allotetraploid Achillea system in Eastern Asian. We will test a series of morphological traits that are related to plant fitness via common garden experiments and controlled experiments. We will compare phenotypic plasticity of traits and their underlying gene expression, as well as transcriptome data, between differently cultivated populations in the common garden. We will set up a series of artificial hybrid and allotetraploid populations. By comparative analyses from phenotype to gene expression patterns between the artificial and natural polyploid populations, we try to tease apart the influence of hybridization and polyploid, respectively, to the adaptation values of the allopolyploid species. By integrating the multidisciplinary experimental data, we will finally try to answer the question how the genetic and developmental consequences of polyploidy extend to the phenotype and to ecology, that is, to fill the gaps from genes to ecology.
杂交与多倍化在植物的适应性演化中扮演重要角色,异源多倍体的基因表达变化关乎其表型变异及可塑性,直接影响其适应性。菊科蓍属(Achillea)的高山蓍(A. alpina)和云南蓍(A. wilsoniana)系独立起源于齿叶蓍(A. acuminata)和亚洲蓍(A. asiatica)的异源四倍体物种,本项目利用这个物种体系,通过同质种植和单因子控制实验、表型分析、转录组分析以及适应性表型的相关基因表达分析,探讨了杂交-多倍化对后代适应性的影响。主要结果如下:异源多倍体的基因表达遗传模式具有母本效应;四倍体物种表达基因的总数目和特异表达基因的数目与亲本相比均显著增加,且继承了双亲的环境应答基因,表现出更强的环境适应能力;四倍体的叶裂式样介于双亲之间,与此对应,叶齿/裂调控基因的表达水平也呈现类似于加性表达的模式。这些结果反映了多倍体适应性的分子基础。从生态学角度,为理解异源四倍体如何降低与亲本的种间竞争,本项目结合物种的地理分布和同质种植数据,整合气候、地形和土壤三个维度的参数,在环境空间和地理空间中对四个物种的生态位进行了量化比较,发现两个四倍体物种的适宜区域都与亲本物种适生性较低的区域重叠,表明多倍体倾向于在其祖先物种不太适宜的区域维持种群,支持生态位转变可促进多倍体成功的假说。此外,菊科特别是蓍属所在的春黄菊族往往存在小花形-色关联变异的现象,这与类胡萝卜素裂解酶基因CCD4a与花对称性调控基因CYC2-like的相互作用密切相关。我们通过双荧光素酶实验和酵母单杂交实验,验证了CYC2-like转录因子对CCD4a基因的调控在春黄菊族较为普遍,可能在该族进化早期业已形成,与蓝型头状花序在形态上模拟一朵单花从而高效吸引传粉者有关。综上所述,本项目的研究揭示了异源多倍体在表型变异、基因表达和生态位分化等方面的适应性机制,为理解多倍体物种适应进化的基础提供了新见解,并有望为农业、园艺的杂交和分子育种提供可参考的实验依据。
高山蓍异源四倍体复合体后物种形成期的演化
  • 批准号:
    31570215
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    郭延平
  • 依托单位:
蓍草属植物叶形变异的演化发育研究
  • 批准号:
    31170207
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万元
  • 批准年份:
    2011
  • 负责人:
    郭延平
  • 依托单位:
高山蓍多倍体复合体基因表达式样的变异与其适应进化的关系
  • 批准号:
    30770144
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    30.0万元
  • 批准年份:
    2007
  • 负责人:
    郭延平
  • 依托单位:
东亚蓍草属植物的杂交物种形成和分化
  • 批准号:
    30570107
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2005
  • 负责人:
    郭延平
  • 依托单位:
国内基金
海外基金