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高精尖中心王晓茹和毛建丰团队在林木生态基因组学领域取得新进展

发表时间:(2020-05-19)

  探究林木适应性变异的驱动和维持机制、预测种群对未来气候变化的响应对于理解森林树种多样性格局的产生、种群生态稳定性及指导林木种质资源的管理利用具有重要意义。

 

 

  近日,我校林木分子设计育种高精尖创新中心王晓茹、毛建丰课题组在植物学重要刊物 New Phytologist 发表了题为“ Effects of landscapes and range expansion on population structure and local adaptation ”的研究论文。该研究重点在于解析群体演化历史及地理、生态因子对空间遗传格局和适应性的影响,着重展示了青藏高原东南缘特有森林类群高山松基因组变异的演化机制及对未来气候变化的反应。

  

  物种的遗传多样性决定其适应环境变化的能力,而遗传变异格局受群体历史、地理及生态选择等多种因素的影响。解析各类因子,特别是自然选择的作用,是认知环境适应性遗传基础的前提。自然状态下,各类因子间的关联和互作十分复杂,从综合现象中剖分单一因素的贡献是群体基因组学研究的难题。

 

  高山松是西藏东南缘重要的森林建群种,对维系该地域的生态系统功能至关重要。该团队多年来对高山松开展了系列群体遗传学研究,建立了其杂交起源和演化历史,但全基因组水平的变异模式和高原环境的选择印记尚待归纳。该研究利用4万个外显子捕获测序,结合全分布区内遗传-环境关联特征和景观空间分析策略,发现高山松的遗传变异呈现显著的地理结构,与群体扩张路线高度吻合,高山松从东向西迁入高原的过程中,种群遗传多样性水平逐步降低,有害突变清除效率也随之降低。伴随群体扩张产生的等位基因冲浪效应明显,对基因组上~39%的位点分化造成了影响,同时地理隔离和生态选择也留下了显著印记,特别是在控制地理作用的前提下,生态选择可解释基因组上~7%的变异,而对适应性相关位点的贡献可高达~20%。这些分析表明群体扩张历史和适应高原极端环境是造成高山松空间遗传格局的主要因素。

 

  针对未来气候变化对种群动态影响的问题,研究人员进一步基于随机森林智能算法建立了高山松种群对未来气候变化的基因组响应模型,综合考虑显著的地理隔离、遗传组成及针叶树长世代周期等因素会限制物种对环境变化的适应能力,作者预测了未来气候模型下高山松种群的遗传-环境不匹配性及其可能导致的濒危。该研究为深入理解生物多样性的演化机制、解析林木群体基因组变异规律和预测高原特有、濒危植物类群动态提供了参考和指导。

 

  

a) 高山松典型生境,b) 基于全基因组外显子序列建立的高山松空间遗传结构,c)群体遗传多样性沿扩张路线的变化,d)未来气候模型下高山松种群的遗传组成与环境不匹配性分布示意图。

 

  北京林木分子设计育种高精尖中心博士后赵伟是该论文的第一作者,毛建丰和王晓茹为论文通讯作者,瑞典于默奥大学和美国佐治亚大学合作者参与了研究。本工作得到国家自然科学基金委和北京林木分子设计育种高精尖创新中心的资助,及瑞典于默奥大学北方超算中心(HPC2N)的支持。  

  

  

  编辑:高大为

  审核:刘   尧

来源:高精尖中心          作者:高精尖中心;审稿:林金星          浏览次数: