摘要
第四纪剧烈的气候变化深刻影响了全球植物的地理分布、物种形成和种群演化历史。最新研究显示我国东北地区重要木本植物的物种形成及种群扩散和传播仍然受到新生代以来冰期和间冰期海平面变化的影响，并且在第四纪大冰期存在隐形避难所。但是缺乏针对我国东北、日本和韩国共同分布木本植物的进化历史比较研究，尤其缺乏功能基因组学的证据，比如缺乏从转录组角度探讨该地区重要木本植物进化历史的研究。 赤松(Pinus densiflora Siebold et Zucc.)是中-日森林植物区系的重要组成物种，主要分布于中国、韩国、日本和俄罗斯地区，其中在中国山东半岛和日本群岛呈间断分布。赤松在其分布区内与樟子松(Pinus sylvestris L.var.mongolica Litv.)、兴凯湖松(Pinus takahasii)和长白松(Pinus sylvestrisformis)共存。但是这四个共存物种的进化关系未知，也缺乏从种群角度探讨赤松种群进化历史及基因型变异与环境因子关系的研究。本论文首先比较分析了赤松及其共同分布物种樟子松、长白松和兴凯湖松的叶绿体基因组特征，并结合已发表数据构建了松科和红豆杉科25个物种的叶绿体基因组系统进化树;其次通过转录组测序分析了来自中国、日本和韩国32个种群的220个赤松个体，解析其种群历史动态;最后结合环境因子揭示驱动赤松遗传变异的因素。基于以上研究获得的主要结论如下: (1)为了揭示四种近缘种松的系统发育关系，通过它们的叶绿体基因组数据进行比较，发现赤松及其近缘种松的叶绿体基因组特征非常保守，与其它松属一致，具有典型的四分体结构(大单拷贝区、小单拷贝区和一对反向重复区)。叶绿体基因组系统发育分析显示兴凯湖松和长白松聚为一支，且樟子松与这两个狭域分布的松树的关系较近。 (2)为了研究赤松的种群遗传结构和遗传多样性，对转录组测序的数据质量控制产生8376个单核苷酸多态性(Single Nucleotide Polymorphism,SNP)位点，其中中性单核苷酸多态性位点7555个。转录组水平赤松的遗传多样性为0.0038,其遗传变异主要来自种群内(97.73％)，种群间(0.13％)的贡献较小。中国、日本和韩国的赤松可分为四个进化枝(lineage)(最佳k=4):山辽组(SL，即中国山东半岛和辽东半岛的9个种群）、吉黑组（JH,即中国吉林省和黑龙江省的7个种群）、日本组（JP,日本群岛的7个种群）和韩国组（SK,韩国的9个种群）。 （3）为了揭示赤松的现代分布地理格局，基于成对序列马尔科夫凝聚模型（Pairwise Sequentially Markovian Coalescent,PSMC）模拟赤松的种群历史动态表明:赤松在距今2 Ma以来，由于冰期和间冰期气候变化导致赤松种群经历了明显的扩张和收缩，直到末次盛冰期（Last Glacial Maximum,LGM）,各个进化枝的赤松仍在收缩。Maxent结果显示末次最大冰期时赤松的物种进化历史不符合经典的“南扩北缩”模式，而是存在四个避难所，分别为中国东北、山东、朝鲜半岛和日本地区。通过贝叶斯方法构建的赤松种群分化模型显示该种在7.72 Ma左右起源，其中吉黑进化枝在2.02 Ma左右与日本进化枝分化，1.37 Ma与朝鲜进化枝分化，在0.71 Ma左右与山辽进化枝赤松分化。 （4）为了揭示驱动赤松遗传分化的因素，基于遗传分化异常值和基因型-环境互作关系（genotype-environment associations,GEAs）的的检验方法，分别鉴定出370个（Pcadapt）、189（LFMM）和309个（Bayenv2）潜在的适应性位点，其中1个适应性位点为三种方法共同检测出。Mantel检验赤松种群间的遗传分化与地理距离和环境距离呈显著的正相关。控制环境隔离变量后，偏Mantel检验显示地理隔离与遗传分化仍然存在显著的相关性。随机化多元矩阵回归（Multiple Matrix Regression with Randomization,MMRR）分析也表明地理隔离的作用强于环境隔离。梯度森林模型（GF）检测环境因子与遗传变异的非线性关联分析表明季节性降水量为驱动赤松遗传变异的最重要的环境因子。 本研究基于叶绿体基因组水平解析了赤松及其近缘种的系统发育关系，首次利用转录组的数据对赤松种群历史动态和驱动赤松遗传变异的因素进行了系统的研究，为赤松及其近缘种的资源保护提供了遗传资料，也为赤松的森林经营管理和赤松优良资源的可持续利用奠定了理论基础。此外，为大基因组的针叶树种的演化历史和遗传变异研究提供实例。
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