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物种的分化是指一个物种通过适应不同的生境分化出新物种的过程,也是生物多样性形成的基础。在探究物种的形成过程中,物种之间的界定显得基础而重要,界定物种间的系统位置及其相互关系,对于认识生物多样性的形成过程具有重要的意义。物种间的分化程度,进化状况都强烈的受到物种过去进化历史事件的影响,因此对他们的分析可以用于推测过去的群体历史和选择事件。随着DNA测序技术的快速发展以及费用的不断降低,植物分子群体遗传学得到了迅速的发展,它的主要目的是以DNA序列为基础,描述遗传变异随时间和空间变化的分布模式,并理解形成这种模式的进化过程。基于对物种或种群进化历史的揭示,可以为分析种群的进化潜能提供重要信息,从而能对稀有或濒危物种的保护采取科学有效的措施。 报春花属(Primula)是报春花科的第一大属,共有25余个组,近500种(胡启明,1994)。广布于欧亚大陆温带地区,沿东喜马拉雅山两侧到云南、四川西部是本属的现代分布中心(吴之坤等,2009)。Pax基于显著的轮状花序将25-30个物种归并为灯台报春组(Section Proliferae)(Pax,1888)。报春花属是世界著名的观赏花卉,其中灯台报春组花色艳丽,花序为原始轮状花序,有良好的观赏价值(Richards,2014),灯台报春组拥有原始的轮状花序和三沟型花粉,种间容易杂交(Wilkins,2011),种间关系比较复杂。异型花柱在被子植物中是一种被广泛关注的花柱多态的现象,它是指在一个居群内,根据雌蕊和雄蕊的高度,可以区别出两种或两种以上的花的表型,异型花柱的起源和进化一直是研究的热点和难点。在灯台报春组中,中甸灯台报春(P.chungensis)和鹅黄灯台报春(P.cockburniana)拥有相似的形态学特性及多样的花柱类型,是研究报春花起源进化以及物种间分化历史的理想材料。 本研究利用双亲遗传的核基因标记和母系遗传的叶绿体标记trnL-F构建了灯台报春组的的系统发育树,探究了中甸灯台报春和鹅黄灯台报春的系统位置,又结合形态学性状以及分子SSR数据,确定了两种报春的姐妹种关系,然后用ITS序列叶绿体序列和SSR序列分析了居群的遗传信息,最后利用分子钟的原理探究了姐妹种间的分化时间,通过分析生态位的差异推测了物种分化的驱动力。主要研究结果和结论如下: 1、通过构建系统进化树,探究中甸灯台报春和鹅黄灯台报春的系统位置 核糖体序列为双亲遗传,在构建系统进化树中有重要的作用,而叶绿体为母系遗传,具有足够的遗传变异,是构建系统进化树常用的分子标记。我们选取了灯台报春组的16个近缘种基于核糖体序列构建系统进化树,选取了12个灯台报春组的近缘种基于叶绿体序列构建系统进化树,运用贝叶斯的方法选取最适模型,最终两棵系统树不同物种之间的系统位置有一定的差异,但中甸灯台报春和鹅黄灯台报春都以较高的支持率(0.81),聚成一个分支,故我们认为,中甸灯台报春和鹅黄灯台报春为亲缘关系很近的姐妹种。 2、对两种报春花的五个形态学性状进行主成分聚类分析 在野外居群采样的过程中,随机采集中甸灯台报春90朵完全开放的花和鹅黄灯台报春30朵完全开放的花,进行纵向解剖,用标尺放在一旁做比例尺,照相后保存,通过软件ImageJ(Abràmoff,2004)测量关键的花形态学性状。所选取的要测量的形态学性状包括花冠檐直径,花冠管长度,花冠口直径,花药长度,柱头宽这五个性状。通过对这五个性状进行聚类分析,两个物种间的个体聚成明显的两块,表明了从形态学上来说,除了花柱类型的差异,花朵大小也产生了明显的差异,即这两个种间产生了形态学上的显著分化,而这种分化与各自的交配系统之间有重要的关系。 3、分子聚类分析 本研究筛选出了6对容易扩增且多态性较好的SSR引物序列,选取了中甸灯台报春4个居群共154个个体,鹅黄灯台报春9个居群共203个个体进行分析,荧光标记PCR的反应条件为巢式PCR(Schuelke,2000),PCR反应的产物进行峰值的测定,结果用软件GeneMaker v.2.2.0(Lukashin&Borodovsky,1998)进行峰值的分析。聚类结果表明,中甸灯台报春和鹅黄灯台报春在分子水平上是聚类明显的两个物种。即两个物种间的分子组成成分相差较明显,在分子方面,两个物种也产生了稳定的分化。 4、居群遗传学研究 分别对两个物种的核基因和叶绿体序列以及用SSR引物扩增的序列,进行遗传结构的分析,探讨居群的遗传结构。对引物的多样性进行了探讨,为报春花的引种和保护提供了有效的参考,分析了居群的进化潜能。两个物种间的分化系数为0.4723,分化程度比较明显。 5、两种报春的分化时间的计算 选取叶绿体片段进行Ima的分析。其中鹅黄灯台报春选取14个个体,中甸灯台报春选取21个个体,联合起来的叶绿体片段长度为1650bp.通过选取模型,设置叶绿体每个位点每年的突变率平均为1.52×10-9,置信区间设置为(0.000001,0.0001)。两个物种间的分化时间是在大约13万年前,处于地球的更新世时期,更新世时期地球经历了剧烈的气候动荡和地质形成过程。对动植物来说,更新世时期气候的动荡对物种的形成和分化以及分布格局有重要的影响,特别是对今天的姐妹种之间的形成和分化有重要的作用。冰期间冰期气候交替的剧烈变化可能对这两种报春的形成和分化产生了重要的影响,是这两种报春分化的重要驱动力。 6、物种间生态位的差异 通过对物种已知分布区的数据和环境数据进行模型检测,来探究对物种分布影响最大的气候因子。将实地采集到的物种信息以及在CVH中查到的信息进行搜集,联合在标本馆中搜集的信息进行整理归纳,共集合了中甸灯台报春9个地理分布信息,鹅黄灯台报春18个地理分布信息。然后从worldclim里下载19个生态因子的图层,运用现有物种分布的信息检测物种生态位的情况,最干季节降水量、年均温变化范围、等温性和年均降水量对中甸灯台报春的分布有重要的影响,最冷季节平均温度、最干月降水量、年均降水量和季节性降水量对鹅黄灯台报春的分布有重要的影响,表明两种报春的生态位发生了一定程度的分化。