基于基因组学与转录组学的胡桃科植物系统进化及群体遗传学研究

基于基因组学与转录组学的胡桃科植物系统进化及群体遗传学

研究

胡桃科(Juglandaceae)隶属于壳斗目(Fagales),是世界重要的经济树种,具有重要的材用、食用、药用、生态和艺术价值。本研究以胡桃科植物为研究对象,采用高通量测序技术结合生物信息学、进化生物学及群体遗传学等方法,对胡桃科物种进行如下分析:首先,利用群体基因组学数据对该科中最重要的经济树种胡桃属(Juglans)植物进行研究,从多角度揭示胡桃属系统发育关系、物种形成机制以及该属物种复杂的群体动态历史。

其次,本研究利用叶绿体基因组数据阐明胡桃科的系统发育关系、揭示其进化起源中心以及多样化历史,结合化石证据进一步确定胡桃科的在时间尺度上的进化历程。主要结果如下:(1)中国胡桃属植物包括以下5个物种:核桃、铁核桃、野核桃、麻核桃和核桃楸。

首先,基于IlluminaMiseq测序平台首次对胡桃科中核桃的叶绿体DNA进行高通量测序。利用生物信息学方法获得了完整的核桃叶绿体参考基因组序列(160,367 bp)。

对参考基因组序列进行注释,发现其共有137个基因,包括86个蛋白编码基因,3个假基因(2个ycf15和1个infA),40个tRNA基因,8个rRNA基因。其次,由于缺乏丰富的分子标记,中国胡桃属植物5个物种间系统发育关系仍然没有彻底被解决。

本研究利用高通量测序平台Illumina Hiseq对中国5个胡桃属的叶绿体DNA 进行测序,通过上述部分构建的参考叶绿体基因组,进行5个胡桃属叶绿体基因组比较研究。基于比较结果,共鉴定了胡桃属植物叶绿体序列中大量的SNPs和

Indels变异位点,以及简单重复序列和大片段重复序列。

同时,利用叶绿体基因组、蛋白编码基因和非编码区序列三组数据对5个胡桃属进行系统发育分析,结果与形态学的分组高度一致,分为核桃组和核桃楸组。本研究中开展的胡桃属植物叶绿体基因组测序分析将为进一步研究胡桃属的种间杂交、系统进化和群体历史提供可用的遗传资源。

(2)胡桃属植物比较转录组学以及跨物种EST-SSRs分子标记开发可以为后续研究该属物种群体适应性分化研究提供有效的基因组资源。利用Illumina Hiseq测序平台分别对中国5个胡桃属植物,即核桃、野核桃、核桃楸、麻核桃和铁核桃的不同组织(叶片、幼果、雌花、雄花)RNA等量混合后进行转录组测序。

本研究共产生16,811,432-49,929,297 个高质量的 reads,通过 de novo 组装得到 83,112-103,167 个unigenes序列,鉴定出9,216-9,389个核心单拷贝直系同源基因。同时,随机选择96对EST-SSRs分子标记在5个胡桃属物种中进行通用性和多态性检测。

此外,基于467个单拷贝直系同源基因对7个胡桃属植物(核桃、铁核桃、野核桃、核桃楸、麻核桃、美国白核桃和黑核桃)和3个外类群(山核桃、板栗和夏栎)进行系统发育分析,结果表明基因树和物种树系统发育关系一致。基于胡桃属的叶绿体基因组和单拷贝直系同源基因序列分别构建系统发育树的结果表明,美国白核桃和中国特有种麻核桃的系统位置存在分歧,近缘种种间杂交和叶绿体捕获可能是导致胡桃属物种核基因组与叶绿体基因组系统发育关系分歧的原因。

(3)由于胡桃属植物的天然分布是典型的北半球间断分布,而成为东亚-北美生物地理分布模式的研究热点。有限的分子标记不能很好的解决胡桃属的系统发育关系和生物地理分布模式。

本研究通过胡桃属10个物种50个体进行重测序来探究胡桃属的系统发育关系和生物地理分布模式。研究结果表明:叶绿体基因组为重建胡桃属系统发育提供足够的有效信息位点,解决该属物种种间尚未解决的系统发育关系,美国白核桃聚在黑核桃组组内,麻核桃聚在核桃楸组中。

此外,结合化石点校正确定胡桃属内的分化时间约为43.8 Mya。同时,通过ADMIXTURE基于核基因组SNPs分析胡桃属群体遗传结构结果表明,麻核桃为杂交种,其母本为核桃组Cardiocaryon,父本为核桃楸组Dioscary,即

J.hopeiensis= Cardiocaryon ♀× Dioscaryon ♂。

然而,在白核桃中没有检测到近缘种的基因渐渗。根据胡桃属核基因组SNPs 构建系统发育树结果表明,美国白核桃与核桃楸组聚为一支,并最先从核桃楸组分化出来;而麻核桃的个体既有和核桃楸组聚为一支,也有和核桃组聚为一支。

结合单亲遗传叶绿体基因组和双亲遗传核基因组的研究结果表明,美国白核桃系统发育关系分歧的原因是该物种与黑核桃组发生了叶绿体基因捕获事件,而麻核桃的系统发育关系分歧的原因是近缘种之间的杂交渐渗。(4)由于胡桃科复杂的进化历史,导致其系统发育关系和多样化历史尚未阐明。

本研究通过对胡桃科的6个代表属的26个个体进行叶绿体基因组测序来揭示该科的多样化历史。通过比较叶绿体基因组分析,鉴定出该科中的假基因和分化热点区域,为后续胡桃科开发条形码提供潜在的分子标记候选区。

胡桃科叶绿体基因组的系统发育分析结果表明,胡桃科属间系统发育关系明确,分为6大支,且每个属都为一个单系支。结合化石校正点对胡桃科分化时间进行估算,结果表明,胡桃科的分化时间发生在白垩纪(78.58

Mya,95%HPD:76.58-80.50 Mya),且东亚分布的黄杞属植物最原始;而胡桃科内两

个亚科(黄杞亚科和胡桃亚科)的分化时间发生在中新世(61.98

Mya,95%HPD:59.98-63.98 Mya)。

结合胡桃科物种分化时间与气候动态历史的分析,结果表明主要的两个物种多样化时间与过去气候动态历史相对应,分别发生在始新世早期和中新世中期。本研究中的胡桃科系统发育关系将为胡桃科的分类学、物种多样性、生物地理学、表型进化、基因功能以及比较基因组学提供重要框架。