普通野生稻種群變異的分布格局及其形成機制.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與進化生物學研究的核心內(nèi)容之一。距離隔離(Isolation by distance，IBD)一直被認為是驅動種群分化的主要因子。近年來，越來越多的研究表明生境異質性引起的局域適應(local adaptation)也會導致種群分化，即適應性隔離(Isolation byadaptation，IBA)。然而，很少有研究同時檢驗IBD和IBA對種群分化的影響。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，即生境異質性明顯。這種生境異質性是否已導致局部適應性的發(fā)生、進而驅動種群分化卻沒有被研究過。本論文以普通野生稻為對象，通過同質園移栽實驗、分子標記檢測與高通量測序分析相結合的方法，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制。主要結果如下:
　　1)在海南三亞、廣東茂名和江蘇太倉三地分別建立同質園栽培實驗檢測了全世界72個種群1102份普通野生稻的表型變異，結果顯示不同環(huán)境條件下，普通野生稻表型可塑性變化明顯。在單個同質園中，普通野生稻種群的表型表現(xiàn)出與其來源地環(huán)境氣候因子相關的變化式樣。典型相關分析(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;相關性分析發(fā)現(xiàn)始花期、株高與年均溫相關(r=0.638

4、，r=0.675;p＜0.05)，繁殖性狀如種子總重、單穗重和結實率等分別與等溫性、最冷月份低溫顯著相關?；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不同氣候區(qū):亞熱帶季風氣候區(qū)(SMCR)、熱帶季風氣候區(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明顯關系。種群生長的異速指數(shù)在不同氣候區(qū)間存在差異，提示與當?shù)貧?/p>

5、候變化相適應的生殖權衡。這些結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，是局域適應性(IBA)的結果。
　　2)使用6個微衛(wèi)星標記檢測全分布區(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檢驗提示始花期存在顯著的適應性分化信號。
　　3)使用12個微衛(wèi)星標記對北緣分布區(qū)12個種群的精細(fine-scale)遺傳結構、有效種群大小和異交率進行調查，以檢測種群遺傳變異性。空間自相關分析檢測到種群內(nèi)存在顯著空間遺傳結構，個體呈聚集分布，精細尺度上IBD作用明顯。普通野生稻有效種群大小Ne=35-4560，與種群的實際大小顯著相關（r=0.969，p＜0.01），說明生境的相對穩(wěn)定對維持普通野生稻繁殖與進化潛力有著重

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(r=0.807，p＜0.01);大部分種群都并未檢測到瓶頸效應，近期的生境破碎化事件對普通野生稻種群的影響不顯著。
　　4)使用79個微衛(wèi)星標記對北緣分布區(qū)的11個普通野生稻種群遺傳結構進行了分析，以檢測生境破碎化、IBD和IBA對種群分化的影響。結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對種群遺傳分化作用顯著;AMOVA與偏Mantel檢驗發(fā)現(xiàn)種群分化與環(huán)境因子，尤其是年均溫顯著相關(r=0.53，p＜0.01)，意味著發(fā)生了IBA。發(fā)現(xiàn)11個與基因緊密連鎖的SSR標記被檢測為特異位點，可能與局域適應相關。這些結果說明歷史上長期的地理隔離以及對異質生境的局域適應，即IBD和IBA共同驅動了普通野生稻的種群分化。
　　5) Hd1與H

9、d3a是水稻光周期調控通路中的關鍵基因，對9個北緣分布區(qū)的普通野生稻種群的Hd1第二外顯子區(qū)域以及Hd3a上游調控區(qū)域序列進行了分析，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聯(lián)。
　　6)對不同緯度的10個普

10、通野生稻種群的基因組DNA進行高通量重測序和生物信息學分析以檢測基因組層面的局域適應印記。結果顯示，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。位于中國華南地區(qū)的亞熱帶季風氣候區(qū)的普通野生稻種群可分為南方與北方兩個類群;通過100kb的滑動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個與南北群分化高度相關的SNPs，這些SNPs中有

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