禺毛茛多倍体复合体杂交带和网状进化研究

发布时间：2018-09-08 11:16

【摘要】：多倍化是影响植物进化最普遍和最具特色的细胞遗传学过程,多倍化与杂交同时发生会对植物进化产生更大的影响,杂交能够形成新的遗传组合,而多倍化可以通过减少遗传分离和消除杂种不育稳定新的遗传组合,杂交和多倍化最终导致杂种物种形成、物种覆没和杂交带等进化结果,因此多倍化和杂交也是植物进化生物学研究的热点问题。现已证明在基因流存在下,歧化选择(Disruption selection)可以造成选型交配(Assortative mating),从而产生生殖隔离导致同域物种形成。然而,在物种形成过程中的基因流动态变化如何,基因流对适应性进化产生什么影响等问题依然存在较多争论。自然界中存在的天然杂交带为探讨种间基因流动态、物种完整性维持(Species cohesive)和杂合子适应性进化提供了天然的实验室。位于杂交带同域分布的近缘物种为研究同域物种形成和遗传分歧机制提供了关键性模型,因此研究杂交带基因流造成的重组和适应性基因渐渗,可以进一步阐明物种形成的过程,丰富杂种物种形成理论。禺毛茛多倍体复合体及其近缘种主要包含茴茴蒜Ranunculus chinensis(2x)、棱喙毛茛R.trigonus(2x)、卷喙毛茛R.silerifolius var.silerifolius(2x)、长花毛茛R.silerifolius var.dolichanthus(2x)、禺毛茛R.cantoniensis(4x)、铺散毛茛R.diffusus(4x)、褐鞘毛茛R.vaginatus(5x)和扬子毛茛R.sieboldii(6x,8x)八个类群,广布于热带亚热带亚洲地区,该复合体各类群间仍存在较多的同域分布区,其仍处于多倍体复合体发展的初期阶段,野外调查及核型分析发现同域分布区可能存在较多杂交个体,如在云南普洱地区发现4个二倍体类群混生的区域。禺毛茛多倍体复合体各类群生长周期短,约6-7个月,而且呈现出完整的从低倍性到高倍性进化的过程,是研究杂交和多倍化的理想材料。本研究将禺毛茛多倍体复合体作为研究杂交和多倍化的模式材料,利用多种分子标记、荧光原位杂交(Fluorescence in situ hybridization,FISH)和转录组方法,阐明该多倍体复合体的网状进化关系,并检测混生居群是否有杂交存在,通过分析其杂交带的基因流和遗传结构,探讨杂交带的杂交模式和进化结果,利用转录组测序获得大量基因数据,并尝试利用转录组数据进行系统发育分析,检测种间是否有基因渐渗存在以及适应性进化基因是否能够通过基因流在不同种内散播等问题。主要研究结果如下:1.禺毛茛多倍体网状进化关系。利用核糖体转录间隔区its和fish,对禺毛茛多倍体复合体及其近缘种10个类群进行系统发育分析,基于its系统发育网络显示水城毛茛和匍枝毛茛有各自独特的基因型,与禺毛茛多倍体复合体其他类群亲缘关系较远,其它8个类群亲缘关系十分密切,8个类群中有6个含有r.chinensis的its基因型,因此我们认为,禺毛茛多倍体复合体及近缘类群主要包含着以上8个类群,而r.chinensis可能在该复合体中起到枢纽基因组(pivotalgenome)的作用,其它类群通过与r.chinensis杂交将整个复合体绑定在一起。另外fish和its系统发育网络都显示r.vaginatus(5x)可能是由r.diffusus(4x)和r.sieboldii(6x)杂交而来,根据以上结果我们绘制了该复合体的网状进化关系图。2.多物种杂交带的发现及其杂交模式。我们利用its和2个叶绿体基因片段对云南普洱的多物种混生区进行了研究,发现its的pcr产物直接测序结果中存在大量的杂合位点,遂克隆以上序列并测序,进行系统发育网络分析。网络分析显示来自多物种混生区的少数个体包含不同类型的its,而且叶绿体和its数据存在显著的冲突,并且以上个体的花粉可育性也显著降低,证明该区域存在大量的杂交现象。同时发现r.trigonus和r.silerifoliusvar.dolichanthus的生殖隔离相对较弱,导致较高的杂交率,并且基因流的方向很可能是不对称的。四个二倍体类群可以相互杂交,共形成了7种不同的杂种基因型,其中包括杂种f1、回交类型和一个三个亲本杂交形成的杂种,证明了该区域是四个二倍体类群同域共存的杂交带,可以形成异常丰富的杂种池,增加该地区的基因型多样性。3.微卫星引物开发。本研究利用磁珠富集法进行了6次富集,共获得174个可设计引物的微卫星位点。利用聚丙烯酰胺凝胶电泳筛选出13对扩增稳定性好的多态引物,并利用4个二倍体类群对以上引物分别进行了引物通用性检测,证明了其在4个二倍体类群中有较好的通用性。本次研究也发现多数引物显著偏离哈迪温伯格平衡,可能因为禺毛茛多倍体复合体主要以自交为主。4.杂交带的遗传结构。本研究利用开发的微卫星引物对杂交带和非杂交带居群进行遗传结构分析,结果发现杂交在整个重叠分布区都非常普遍,无论是杂交带采集的居群还是非杂交带采集的参考居群都检测到了杂合个体,因此推测多倍体复合体的同域分布区存在广泛的基因流,使得适应性基因在同域分布区能够跨越物种的界限散播,导致一种集体进化(Collective evolution)的现象。结果也进一步证明了杂交带内的基因流是不对称的,主要以R.trigonus作为母本,甚至出现了基因渐渗的极端现象——叶绿体捕获。5.杂交带二倍体类群的比较转录组研究。采集了杂交带的4个个体进行转录组测序,经过组装、基因注释后发现毛茛转录组与葡萄基因组相似程度最高。本研究利用最近发表的直系同源基因推导方法,获得4个类群共有的直系同源基因1687条,并尝试利用以上直系同源基因构建系统树。为了检测杂交带内种间是否存在基因渐渗,本研究检测R.trigonus、R.chinensis和R.silerifolius var.dolichanthus的Patterson’s D-statistic值,进一步证实了R.trigonus-R.chinensis和R.trigonus R.silerifolius var.dolichanthus间存在明显的基因渐渗。为了检测不同类群间的正向选择基因,本文计算了每条直系同源基因的Ka/Ks值,并利用Blast2go对筛选出的正向选择基因进行注释,发现以上基因主要为结合功能,参与代谢和细胞代谢过程,进一步分析表明有些基因直接与抗逆和生殖隔离形成相关,因此推测这些基因与适应性进化直接相关,对以上基因进行两两比对发现有些基因在R.trigonusR.chinensis和R.trigonus R.silerifolius var.dolichanthus间完全一致,因此认为种间基因渐渗导致这些适应性基因的散播。综上所述,本研究利用FISH和分子标记初步解析了禺毛茛多倍体复合体的网状进化关系,开发了适用于禺毛茛多倍体复合体的微卫星标记;发现了一个多物种杂交带,并证明了杂交带内基因流的不对称性和杂种基因型的多样性;利用转录组测序获得了该复合体大量的基因数据,为后期研究打下了良好的基础,尝试利用新的直系同源基因推导方法获得直系同源基因,并证明基于转录组的系统发育有更高的分辨率,通过分析直系同源基因的SNP变异确定多物种杂交带内不同物种间的基因渐渗情况,提出适应性基因在杂交带内可以突破物种的界限散播到其他物种内。以上研究表明低倍性类群间的相互杂交和适应性基因渐渗在多倍体复合体中非常普遍,由此使多倍体复合体各类群间产生集体进化的现象,该研究进一步丰富了杂种物种形成理论。
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【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q943

【参考文献】