【摘要】：多倍化是影響植物進化最普遍和最具特色的細胞遺傳學過程,多倍化與雜交同時發(fā)生會對植物進化產(chǎn)生更大的影響,雜交能夠形成新的遺傳組合,而多倍化可以通過減少遺傳分離和消除雜種不育穩(wěn)定新的遺傳組合,雜交和多倍化最終導致雜種物種形成、物種覆沒和雜交帶等進化結果,因此多倍化和雜交也是植物進化生物學研究的熱點問題�，F(xiàn)已證明在基因流存在下,歧化選擇(Disruption selection)可以造成選型交配(Assortative mating),從而產(chǎn)生生殖隔離導致同域物種形成。然而,在物種形成過程中的基因流動態(tài)變化如何,基因流對適應性進化產(chǎn)生什么影響等問題依然存在較多爭論。自然界中存在的天然雜交帶為探討種間基因流動態(tài)、物種完整性維持(Species cohesive)和雜合子適應性進化提供了天然的實驗室。位于雜交帶同域分布的近緣物種為研究同域物種形成和遺傳分歧機制提供了關鍵性模型,因此研究雜交帶基因流造成的重組和適應性基因漸滲,可以進一步闡明物種形成的過程,豐富雜種物種形成理論。禺毛茛多倍體復合體及其近緣種主要包含茴茴蒜Ranunculus chinensis(2x)、棱喙毛茛R.trigonus(2x)、卷喙毛茛R.silerifolius var.silerifolius(2x)、長花毛茛R.silerifolius var.dolichanthus(2x)、禺毛茛R.cantoniensis(4x)、鋪散毛茛R.diffusus(4x)、褐鞘毛茛R.vaginatus(5x)和揚子毛茛R.sieboldii(6x,8x)八個類群,廣布于熱帶亞熱帶亞洲地區(qū),該復合體各類群間仍存在較多的同域分布區(qū),其仍處于多倍體復合體發(fā)展的初期階段,野外調(diào)查及核型分析發(fā)現(xiàn)同域分布區(qū)可能存在較多雜交個體,如在云南普洱地區(qū)發(fā)現(xiàn)4個二倍體類群混生的區(qū)域。禺毛茛多倍體復合體各類群生長周期短,約6-7個月,而且呈現(xiàn)出完整的從低倍性到高倍性進化的過程,是研究雜交和多倍化的理想材料。本研究將禺毛茛多倍體復合體作為研究雜交和多倍化的模式材料,利用多種分子標記、熒光原位雜交(Fluorescence in situ hybridization,FISH)和轉(zhuǎn)錄組方法,闡明該多倍體復合體的網(wǎng)狀進化關系,并檢測混生居群是否有雜交存在,通過分析其雜交帶的基因流和遺傳結構,探討雜交帶的雜交模式和進化結果,利用轉(zhuǎn)錄組測序獲得大量基因數(shù)據(jù),并嘗試利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)發(fā)育分析,檢測種間是否有基因漸滲存在以及適應性進化基因是否能夠通過基因流在不同種內(nèi)散播等問題。主要研究結果如下:1.禺毛茛多倍體網(wǎng)狀進化關系。利用核糖體轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)its和fish,對禺毛茛多倍體復合體及其近緣種10個類群進行系統(tǒng)發(fā)育分析,基于its系統(tǒng)發(fā)育網(wǎng)絡顯示水城毛茛和匍枝毛茛有各自獨特的基因型,與禺毛茛多倍體復合體其他類群親緣關系較遠,其它8個類群親緣關系十分密切,8個類群中有6個含有r.chinensis的its基因型,因此我們認為,禺毛茛多倍體復合體及近緣類群主要包含著以上8個類群,而r.chinensis可能在該復合體中起到樞紐基因組(pivotalgenome)的作用,其它類群通過與r.chinensis雜交將整個復合體綁定在一起。另外fish和its系統(tǒng)發(fā)育網(wǎng)絡都顯示r.vaginatus(5x)可能是由r.diffusus(4x)和r.sieboldii(6x)雜交而來,根據(jù)以上結果我們繪制了該復合體的網(wǎng)狀進化關系圖。2.多物種雜交帶的發(fā)現(xiàn)及其雜交模式。我們利用its和2個葉綠體基因片段對云南普洱的多物種混生區(qū)進行了研究,發(fā)現(xiàn)its的pcr產(chǎn)物直接測序結果中存在大量的雜合位點,遂克隆以上序列并測序,進行系統(tǒng)發(fā)育網(wǎng)絡分析。網(wǎng)絡分析顯示來自多物種混生區(qū)的少數(shù)個體包含不同類型的its,而且葉綠體和its數(shù)據(jù)存在顯著的沖突,并且以上個體的花粉可育性也顯著降低,證明該區(qū)域存在大量的雜交現(xiàn)象。同時發(fā)現(xiàn)r.trigonus和r.silerifoliusvar.dolichanthus的生殖隔離相對較弱,導致較高的雜交率,并且基因流的方向很可能是不對稱的。四個二倍體類群可以相互雜交,共形成了7種不同的雜種基因型,其中包括雜種f1、回交類型和一個三個親本雜交形成的雜種,證明了該區(qū)域是四個二倍體類群同域共存的雜交帶,可以形成異常豐富的雜種池,增加該地區(qū)的基因型多樣性。3.微衛(wèi)星引物開發(fā)。本研究利用磁珠富集法進行了6次富集,共獲得174個可設計引物的微衛(wèi)星位點。利用聚丙烯酰胺凝膠電泳篩選出13對擴增穩(wěn)定性好的多態(tài)引物,并利用4個二倍體類群對以上引物分別進行了引物通用性檢測,證明了其在4個二倍體類群中有較好的通用性。本次研究也發(fā)現(xiàn)多數(shù)引物顯著偏離哈迪溫伯格平衡,可能因為禺毛茛多倍體復合體主要以自交為主。4.雜交帶的遺傳結構。本研究利用開發(fā)的微衛(wèi)星引物對雜交帶和非雜交帶居群進行遺傳結構分析,結果發(fā)現(xiàn)雜交在整個重疊分布區(qū)都非常普遍,無論是雜交帶采集的居群還是非雜交帶采集的參考居群都檢測到了雜合個體,因此推測多倍體復合體的同域分布區(qū)存在廣泛的基因流,使得適應性基因在同域分布區(qū)能夠跨越物種的界限散播,導致一種集體進化(Collective evolution)的現(xiàn)象。結果也進一步證明了雜交帶內(nèi)的基因流是不對稱的,主要以R.trigonus作為母本,甚至出現(xiàn)了基因漸滲的極端現(xiàn)象——葉綠體捕獲。5.雜交帶二倍體類群的比較轉(zhuǎn)錄組研究。采集了雜交帶的4個個體進行轉(zhuǎn)錄組測序,經(jīng)過組裝、基因注釋后發(fā)現(xiàn)毛茛轉(zhuǎn)錄組與葡萄基因組相似程度最高。本研究利用最近發(fā)表的直系同源基因推導方法,獲得4個類群共有的直系同源基因1687條,并嘗試利用以上直系同源基因構建系統(tǒng)樹。為了檢測雜交帶內(nèi)種間是否存在基因漸滲,本研究檢測R.trigonus、R.chinensis和R.silerifolius var.dolichanthus的Patterson’s D-statistic值,進一步證實了R.trigonus-R.chinensis和R.trigonus R.silerifolius var.dolichanthus間存在明顯的基因漸滲。為了檢測不同類群間的正向選擇基因,本文計算了每條直系同源基因的Ka/Ks值,并利用Blast2go對篩選出的正向選擇基因進行注釋,發(fā)現(xiàn)以上基因主要為結合功能,參與代謝和細胞代謝過程,進一步分析表明有些基因直接與抗逆和生殖隔離形成相關,因此推測這些基因與適應性進化直接相關,對以上基因進行兩兩比對發(fā)現(xiàn)有些基因在R.trigonusR.chinensis和R.trigonus R.silerifolius var.dolichanthus間完全一致,因此認為種間基因漸滲導致這些適應性基因的散播。綜上所述,本研究利用FISH和分子標記初步解析了禺毛茛多倍體復合體的網(wǎng)狀進化關系,開發(fā)了適用于禺毛茛多倍體復合體的微衛(wèi)星標記;發(fā)現(xiàn)了一個多物種雜交帶,并證明了雜交帶內(nèi)基因流的不對稱性和雜種基因型的多樣性;利用轉(zhuǎn)錄組測序獲得了該復合體大量的基因數(shù)據(jù),為后期研究打下了良好的基礎,嘗試利用新的直系同源基因推導方法獲得直系同源基因,并證明基于轉(zhuǎn)錄組的系統(tǒng)發(fā)育有更高的分辨率,通過分析直系同源基因的SNP變異確定多物種雜交帶內(nèi)不同物種間的基因漸滲情況,提出適應性基因在雜交帶內(nèi)可以突破物種的界限散播到其他物種內(nèi)。以上研究表明低倍性類群間的相互雜交和適應性基因漸滲在多倍體復合體中非常普遍,由此使多倍體復合體各類群間產(chǎn)生集體進化的現(xiàn)象,該研究進一步豐富了雜種物種形成理論。
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【學位授予單位】：西南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：Q943

【參考文獻】

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2 李欣;;居群遺傳分析軟件——GENALEX 6簡介[J];中國野生植物資源;2008年04期

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1 翁天均;基于45S rDNA-FISH與GISH分析的草莓屬（Fragaria）野生種親緣關系與系統(tǒng)分類研究[D];西南大學;2011年

2 劉占林;松屬植物rRNA基因的變異模式及其進化生物學意義[D];中國科學院研究生院（植物研究所）;2002年

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本文編號：2230364