普通野生稻種群變異的分布格局及其形成機(jī)制.pdf

1、種群變異（包括表型變異和遺傳變異）及其分化式樣是種群遺傳學(xué)與進(jìn)化生物學(xué)研究的核心內(nèi)容之一。距離隔離(Isolation by distance，IBD)一直被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)種群分化的主要因子。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究表明生境異質(zhì)性引起的局域適應(yīng)(local adaptation)也會(huì)導(dǎo)致種群分化，即適應(yīng)性隔離(Isolation byadaptation，IBA)。然而，很少有研究同時(shí)檢驗(yàn)IBD和IBA對(duì)種群分化的影響。普通野生稻（Oryza

2、 rufipogon Griff.）是亞洲栽培稻的祖先種，廣泛分布于亞洲的亞熱帶與熱帶區(qū)域的相互隔離的濕生或水生環(huán)境中，生境中生物因子與非生物因子在種群間存在差異，即生境異質(zhì)性明顯。這種生境異質(zhì)性是否已導(dǎo)致局部適應(yīng)性的發(fā)生、進(jìn)而驅(qū)動(dòng)種群分化卻沒(méi)有被研究過(guò)。本論文以普通野生稻為對(duì)象，通過(guò)同質(zhì)園移栽實(shí)驗(yàn)、分子標(biāo)記檢測(cè)與高通量測(cè)序分析相結(jié)合的方法，研究普通野生稻種群表型與遺傳變異及分化式樣，探討IBD與IBA在種群分化中的作用，以揭示普通野生

3、稻種群變異分布格局的形成機(jī)制。主要結(jié)果如下:
　　1)在海南三亞、廣東茂名和江蘇太倉(cāng)三地分別建立同質(zhì)園栽培實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了全世界72個(gè)種群1102份普通野生稻的表型變異，結(jié)果顯示不同環(huán)境條件下，普通野生稻表型可塑性變化明顯。在單個(gè)同質(zhì)園中，普通野生稻種群的表型表現(xiàn)出與其來(lái)源地環(huán)境氣候因子相關(guān)的變化式樣。典型相關(guān)分析(CCA)發(fā)現(xiàn)株高、生物量與始花期是表型分化受環(huán)境影響最為顯著的性狀;相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)始花期、株高與年均溫相關(guān)(r=0.638

4、，r=0.675;p＜0.05)，繁殖性狀如種子總重、單穗重和結(jié)實(shí)率等分別與等溫性、最冷月份低溫顯著相關(guān)?；跉夂蜃兞康闹鞒煞址治?PCA)可以將普通野生稻種群分為三個(gè)不同氣候區(qū):亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)(SMCR)、熱帶季風(fēng)氣候區(qū)(TMCR)和熱帶氣候區(qū)(TCR)，其中SMCR種群表型性狀與溫度因子關(guān)系密切，TMCR種群的表型主要受降水量因子影響，而TCR種群的表型則與氣候因子無(wú)明顯關(guān)系。種群生長(zhǎng)的異速指數(shù)在不同氣候區(qū)間存在差異，提示與當(dāng)?shù)貧?/p>

5、候變化相適應(yīng)的生殖權(quán)衡。這些結(jié)果表明處于不同氣候區(qū)的普通野生稻種群的表型變異與環(huán)境因子相關(guān)，是局域適應(yīng)性(IBA)的結(jié)果。
　　2)使用6個(gè)微衛(wèi)星標(biāo)記檢測(cè)全分布區(qū)普通野生稻種群的遺傳變異式樣，發(fā)現(xiàn)普通野生稻種群間遺傳分化水平較高(Fst=0.362)，可分為兩個(gè)主要的遺傳類群(RufⅠ與RufⅡ)，遺傳變異呈東北-西南方向的漸變?nèi)菏綐?，與表型變異的分布式樣相似，其中RufⅠ主要處于SMCR，RufⅡ處于TMCR與TCR。Qst-F

6、st檢驗(yàn)提示始花期存在顯著的適應(yīng)性分化信號(hào)。
　　3)使用12個(gè)微衛(wèi)星標(biāo)記對(duì)北緣分布區(qū)12個(gè)種群的精細(xì)(fine-scale)遺傳結(jié)構(gòu)、有效種群大小和異交率進(jìn)行調(diào)查，以檢測(cè)種群遺傳變異性?？臻g自相關(guān)分析檢測(cè)到種群內(nèi)存在顯著空間遺傳結(jié)構(gòu)，個(gè)體呈聚集分布，精細(xì)尺度上IBD作用明顯。普通野生稻有效種群大小Ne=35-4560，與種群的實(shí)際大小顯著相關(guān)（r=0.969，p＜0.01），說(shuō)明生境的相對(duì)穩(wěn)定對(duì)維持普通野生稻繁殖與進(jìn)化潛力有著重

7、要作用;交配系統(tǒng)分析顯示，種群間異交率存在較大變化(tm=0.053-0.616)，與種群的密度顯著相關(guān)(r=0.807，p＜0.01);大部分種群都并未檢測(cè)到瓶頸效應(yīng)，近期的生境破碎化事件對(duì)普通野生稻種群的影響不顯著。
　　4)使用79個(gè)微衛(wèi)星標(biāo)記對(duì)北緣分布區(qū)的11個(gè)普通野生稻種群遺傳結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，以檢測(cè)生境破碎化、IBD和IBA對(duì)種群分化的影響。結(jié)果顯示種群間存在顯著的遺傳分化（Fst=0.343），歷史基因流與現(xiàn)代基因流都

8、極其微弱(mh=0.0002-0.0013，mc=0.007-0.029)，IBD對(duì)種群遺傳分化作用顯著;AMOVA與偏Mantel檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)種群分化與環(huán)境因子，尤其是年均溫顯著相關(guān)(r=0.53，p＜0.01)，意味著發(fā)生了IBA。發(fā)現(xiàn)11個(gè)與基因緊密連鎖的SSR標(biāo)記被檢測(cè)為特異位點(diǎn)，可能與局域適應(yīng)相關(guān)。這些結(jié)果說(shuō)明歷史上長(zhǎng)期的地理隔離以及對(duì)異質(zhì)生境的局域適應(yīng)，即IBD和IBA共同驅(qū)動(dòng)了普通野生稻的種群分化。
　　5) Hd1與H

9、d3a是水稻光周期調(diào)控通路中的關(guān)鍵基因，對(duì)9個(gè)北緣分布區(qū)的普通野生稻種群的Hd1第二外顯子區(qū)域以及Hd3a上游調(diào)控區(qū)域序列進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)這兩段序列核苷酸多態(tài)性較低。Hd1在海南WC種群中存在非同義突變形成的特有單倍型，可能影響到花期的改變;Hd3a的序列也存在地理變化的式樣，在偏南的FC與PS種群中分別出現(xiàn)獨(dú)特的單倍型。Hd1與Hd3a的核苷酸變異可能與普通野生稻自然種群的花期地理變異存在一定關(guān)聯(lián)。
　　6)對(duì)不同緯度的10個(gè)普

10、通野生稻種群的基因組DNA進(jìn)行高通量重測(cè)序和生物信息學(xué)分析以檢測(cè)基因組層面的局域適應(yīng)印記。結(jié)果顯示，基因組水平上普通野生稻種群變異表現(xiàn)出漸變式樣，熱帶地區(qū)種群分化較早，種群間的遺傳分化與緯度梯度相關(guān)。位于中國(guó)華南地區(qū)的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的普通野生稻種群可分為南方與北方兩個(gè)類群;通過(guò)100kb的滑動(dòng)窗比較分析了南北類群的遺傳多樣性的差異，定位了造成南北群差異的基因組候選區(qū)域，鑒定出16610個(gè)與南北群分化高度相關(guān)的SNPs，這些SNPs中有

11、9804個(gè)分布于5796個(gè)基因上，其中1989個(gè)SNPs分布于1274個(gè)基因外顯子上。通過(guò)對(duì)這些基因的注釋，發(fā)現(xiàn)11個(gè)已被克隆和功能注釋的與普通野生稻耐冷性和光周期調(diào)控相關(guān)的基因，提示了局域適應(yīng)的分子機(jī)制，并為挖掘與普通野生稻種群分化相關(guān)的基因提供線索。
　　本研究通過(guò)解析普通野生稻種群變異的分布格局以及形成機(jī)制，揭示了IBD與IBA對(duì)種群變異分布格局的影響。對(duì)于種群處于離散分布的異質(zhì)性生境且高度隔離的物種，本文為研究其遺傳分化的