高山冰缘带位于高寒草甸和永久积雪线之间,是陆地生态系统中海拔最高、气候环境最为严苛的生境之一,是绝大多数动植物的分布禁区。因此高山冰缘带植物形成了一系列高度复杂且精细的适应性演化特征,以保障其在极端环境中的生存和繁殖。“温室结构”就是其中一个典型范例,具有此类结构的植物在繁殖期会发育出半透明的淡黄色苞叶,层叠向上的苞叶错落有序地包裹着整个花序,形成一个小型温室,可保障植株繁殖成功从而完成生活史。作为“温室植物”的代表物种——塔黄(Rheum nobile)(蓼科),营多年生单次结实的生活型,繁殖期的塔黄植株高大醒目、形态奇特靓丽,一直以来被认为是高山植物的标志,是研究植物适应极端环境的理想材料。尽管此前从塔黄的生理生态以及少量基因表达等方面揭示了该物种对高山冰缘带极端环境的适应策略,但其遗传基础仍不清楚。本论文拟利用塔黄的基因组、贯穿其整个生长季的转录组、代谢组和8个自然居群的全基因组重测序数据,通过多组学数据整合的方法全面揭示高山冰缘带植物塔黄对极端环境的多层次适应与演化。主要研究结果和结论总结如下:1.基于PacBio HiFi和Hi-C数据组装了高质量的塔黄染色体水平参考基因组。所组装的基因组包含1.57 Gb的基因组序列,Contig N50长度为6.7 Mb,其中包含1.32 Gb(83.7%)的重复序列和37,000个蛋白编码基因。比较基因组学分析的结果表明在塔黄基因组中DNA损伤修复相关的基因家族发生显著扩张,提高了塔黄对于高海拔强辐射环境的适应性。全基因组加倍相关分析揭示,蓼科物种共享近期的两次加倍事件,而塔黄基因组在经历加倍事件后特异性地保留了更多与抗逆相关的基因。通过与近缘物种唐古特大黄比较后发现,塔黄基因组中转座元件的活跃性更低而其清除机制更高效,这不但有效避免了基因组大小的膨胀,还具有维持基因组稳定性,减小遗传负载的作用。塔黄基因组通过抗逆相关基因家族的扩张,全基因组加倍基因的特异性保留以及转座元件扩张的抑制为适应高山冰缘带环境的多重胁迫提供了基因组基础。2.塔黄的苞叶具有多重生态适应性,功能高度特化,是植物极端环境适应性演化的极致体现。通过三种类型叶片的时间序列转录组比较分析表明,光合作用以及光合色素合成相关的基因表达模式均为苞叶表达量显著低于莲座叶;苞叶中光合色素含量骤减,其中苞叶中叶绿素含量约为莲座叶的4%,类胡萝卜素含量约为7%,表明苞叶已基本丧失光合作用的能力。通过观察石蜡切片发现苞叶叶肉组织未分化为栅栏组织和海绵组织,可能是由于DCL、CABs、VARs在苞叶中的特异性低表达所导致,表明苞叶叶片结构已高度特化。类黄酮含量测定与比较转录组分析的结果表明苞叶中大量累积了具有吸收紫外辐射作用的类黄酮物质,且其合成通路中的相关基因均在苞叶中显著高表达。这些结果表明,苞叶通过基因转录水平的组织特异性调控形成了高度特化的结构与功能,虽不再进行光合作用,但其对光能的选择透过性可以为繁殖器官起到升温防辐射的作用。3.高山植物的生活型以多年生草本为主,因此须面临高山冰缘带冬季极端低温的严峻考验。营养生长时期的塔黄冬季地上部分枯萎,根部宿存越冬,而其中的抗冻机制很大程度上是一个未被探索的领域。比较转录组结果表明,冬季塔黄根组织中与生长发育相关的转录活动均相对静止,仅核糖体功能维持活跃状态,这可能与抗冻蛋白(AFPs、LEAs)及其他抗冷蛋白的持续累积相关。代谢组分析则表明,冬季塔黄根组织中大量累积了与抗冻相关的不饱和脂肪酸以维持细胞膜在低温下的流动性,以及大量保护性的渗透物质以降低细胞在低温下的冰点,还有大量的抗氧化剂以清除其在胁迫环境下产生的活性氧。这些结果揭示了多年生高山植物塔黄采用了多层次的保护机制以适应高山冰缘带冬Natural infection季极端低温。4.塔黄具有多年生单次繁殖的生活史策略,同时为保障繁殖成功,还表现为自交亲和性。比较转录组结果表明,塔黄的开花调控机制与目前已报道的模式植物拟南芥中的开花调控机制不一致,可能存在根-茎通讯调控开花的独特机制。而其自交亲和性的分子机制可能与S-ELF3基因保守结构域中有害突变的累积及其组织表达特异性丢失相关,这也是其对高山冰缘带传粉者稀少的适应机制之一selleckchem PF-07321332。5.在全球气候变暖和人类活动加剧的趋势下,物种分布格局和群体结构都会受到重大影响。通过对塔黄分布区内8个居群45个个体的全基因组重测序分析,所有居群可明显划分为两个支系,二者之间存在杂交居群。塔黄物种水平上的核酸多样性水平接近濒危物种,可能是由于其自交亲和性以及高山冰缘带生境“空中岛屿”效应所导致的。尽管两个支系对于历史气候振荡的响应不同,但有效种群大小总体呈现收缩趋势,亟需制定相应的保护策略和预警机制。总之,本研究发现塔黄在基因组层面通过抗逆基因家族扩张、全基因组加倍基因特异性保留、转座元件扩增抑制等方式提升高山冰缘带Laduviglusib价格的适应性;高度特化的创新性“温室结构”则得益于其转录和代谢物水平的适应性调控;塔黄特殊的生活史策略伴随着众多基因的表达改变,是对恶劣环境适应性的进一步体现;塔黄有效种群大小总体在下降、遗传多样性在减少。这些发现为认识和保护这一特殊明星高山物种提供了基础。