摘要
物种形成与适应性进化是进化生物学领域研究的核心问题之一，基因流在维持物种遗传多样性和促进环境适应中起到重要作用。本研究以分布于横断山地区的血红杜鹃复合群(Rhododendron sanguineum Franch complex)及其同域分布的火红杜鹃亚组近缘类群为研究对象，通过广泛的野外考察和居群水平采样，综合运用基因组重测序和转录组测序技术，并结合形态和土壤环境数据开展血红杜鹃复合群种群分化和适应性进化机制研究，揭示血红杜鹃复合群的形态分化式样与居群遗传结构，探讨基因流在物种形成与维持中的作用，并进一步探究该复合群花色分化的分子机制以及紫血杜鹃变种对不同海拔适应的遗传基础。本研究为杜鹃花属物种形成与适应性演化，以及深入理解生物多样性热点地区的物种多样性形成提供了重要科学依据。主要结果和结论如下。 1)血红杜鹃复合群形态分化与群体基因组学研究 基于12个花和叶的功能性状的主成分分析显示，血红杜鹃复合群的三个变种（原变种、紫血杜鹃和变色血红杜鹃）并没有分别聚为不同的集群，变种间聚类重叠，表明所选择的12个功能性状在变种间无明显的分化。基于根系土壤元素含量与叶片元素含量的分析表明，血红杜鹃复合群三个变种在土壤和叶片元素含量方面均没有显著的差异，血红杜鹃原变种和紫血杜鹃的土壤和叶片元素含量更相近，而变色血红杜鹃的元素含量均高于另外两个变种，且叶片元素含量在变种间的差异比土壤元素含量更为明显。基于血红杜鹃复合群及其近缘种24个居群201个样品的重测序数据共筛选出2，815，502个高质量SNP位点，群体基因组学分析表明，同域分布的物种（糠秕杜鹃，两色杜鹃，滇藏杜鹃和血红杜鹃复合群）具有不同的遗传组成，物种间有明显的遗传分化，且具有较低的遗传多样性。两色杜鹃具有糠秕杜鹃与血红杜鹃复合群混合遗传组成，可能由这两个种间杂交产生。从地理分布格局来看，分布于怒江两侧的血红杜鹃复合群具有明显的遗传分化，高黎贡山和德钦碧罗雪山种群各自形成独立的遗传组成，怒江可能扮演着重要的隔离障碍。同时，分布于贡山的血红杜鹃复合群又可分为南、北两个亚群，可能因山体阻碍基因流所致。第四纪冰期以来的气候震荡可能导致居群间交融，进而促进了物种形成，而种（变种）间不完全生殖隔离导致的基因流在维持遗传多样性和促进物种分化和生态适应过程中发挥了重要作用。 2)血红杜鹃复合群花色分化的比较转录组学研究 以同域分布的血红杜鹃复合群三个不同花色变种（原变种花亮红色，变色血红杜鹃花黄色带粉红色，紫血杜鹃花深黑红色）为研究对象，基于转录组和基因组重测序数据，以及花反色光谱特性分析，揭示不同变种间花色差异的基础机制。研究结果表明，三个不同花色变种在400-700nm波长的可见光范围光谱差异显著，在表征花青素含量差异的明度、饱和度、色度和饱和度-色度比等特征存在显著差异。基于SNPs数据的聚类结果显示，三个变种没有聚为单系分支。基于15，164个单拷贝直系同源基因(OG)，通过差异表达分析鉴定出12个与花青素代谢通路相关的关键候选基因，主要由参与花青素合成、修饰、转运及分解功能的基因组成，而且这些基因的上游启动子区在变种间存在一定的序列变化及顺式作用元件（cis-motifs）差异。推断影响不同变种间花色差异的主要原因可能是花青素代谢通路上合成和分解基因的表达量差异导致，而不是基因的突变或功能丧失决定了不同变种间的花色差异。本研究为复杂近缘类群的分化差异提供了重要参考，也为基因流存在下的早期同域物种形成提供了一个可能案例。 3)血红杜鹃复合群紫血杜鹃变种不同海拔的适应性 对紫血杜鹃四个不同海拔（介于3000-3800m之间）的花和叶组织进行转录组测序，比较不同海拔的基因表达差异，并通过构建基因共表达网络(WGCNA)鉴定与海拔适应相关的候选基因。结果显示，在整体基因表达模式上，花和叶各自聚类，表现出组织特异的表达谱结构，海拔差异可能是影响花和叶基因表达的主要因素。基因差异表达分析在花、叶组织中筛选到不同的环境适应候选基因。在花组织中的差异基因主要与萜类代谢相关(RsHMGR，RsTPS)，而叶组织中鉴定的基因功能主要与花青素生物合成(RsCHS，RsF3''5''H)和叶片衰老(RsLAMT)相关，且这些基因均随海拔的升高表达量降低，一定程度上决定了相关物质含量的高低。在海拔梯度上，花、叶组织表现出对海拔环境不同的响应策略，萜类物质作为花气味的主要成分吸引昆虫传粉，花部组织中产生相对更少的气味物质以减少物质能量的消耗，以应对高海拔较少的传粉昆虫;而在叶片组织中，花青素等次级代谢物含量决定了物种对极端环境的抵抗能力，不同的环境条件下，叶片对光强的响应也不同，体现在叶片对紫外线强度的响应存在差异。
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