异型花及其近缘类群的分子系统学研究

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异型花(Sinoswertia tetraptera,Gentianaceae)是青藏高原特有的二年生草本,其在青藏高原气候环境变迁历程中的演化过程以及遗传多样性分布格局非常值得探讨;包括异型花及其近缘类群在内的獐牙菜亚族的系统关系非常复杂,是龙胆科植物系统发育研究中讨论的热点。本研究以异型花及其近缘类群为对象,开展相关的分子系统学研究,主要内容、结果与结论如下:  (1)獐牙菜亚族的系统发育研究  基于联合后的cpDNA用NJ、MP、ML和BI四种方法构建獐牙菜亚族的系统发育树。四种树均一致而清晰地展示了獐牙菜亚族之外的类群的系统关系;龙胆族中,龙胆亚族和獐牙菜亚族各自为单系,且互为姊妹类群;在本研究的獐牙菜亚族植物中,异型花属最近缘物种是歧伞獐牙菜(Swertia dichotoma),其次是椭圆叶花锚(Halen ia elliptica);Obolaria位于亚族基部;然后分出扁蕾属(Gentianopsis),形成单支;而剩下的獐牙菜亚族植物则均在系统发育树上形成三个主要分支,包括7个Subgen.Ophelia(獐牙菜属Swertia)物种形成的一支、全部Subgen.Swertia(Swertia)物种形成的一支和剩下物种组成的一支(HS)。HS支上包括獐牙菜属(Swertia,包括Subgen.Ophelia和Subgen.Poephila)、假龙胆属(Gentianella)、喉毛花属(Comastoma)、肋柱花属(Lomatogonium)、花锚属(Halenia)等类群;喉毛花属和肋柱花属明显各自聚合,但仍有部分物种游离于相应属的聚合支之外;Subgen.Ophelia的成员种凌乱地分布在演化树的不同分支上,个别物种自成一支,有些物种表现出了与假龙胆属、喉毛花属、花锚属更近的亲缘关系;假龙胆属植物也表现出了与獐牙菜属类似的系统关系特征。  基于联合后的cpDNA序列,用马尔科夫蒙特卡洛算法(MCMC)的分子序列贝叶斯分析进行獐牙菜亚族的关键演化时间点的推算。结果显示Obolaria属是獐牙菜亚族中古老的类群,该属与其近缘类群分化于约24Ma;扁蕾属于约21Ma分化出来;Subgen.Swertia与Sect.Ophelia(Subgen.Ophelia,Gen.Swertia)两个单系于约18Ma分化开来。本研究中獐牙菜亚族49个种(85.96%)在约4Ma开始形成,并且有39个种(68.42%)在约2.5Ma开始形成。  獐牙菜亚族大多数类群的果实、种子等所固有生物学特征和主要栖息地特征,使其得以在冰期旋回、气候波动中实现短期内的快速物种分化。该亚族植物在适宜的环境下伴随着变异快速扩张,而气候的动荡和栖息地环境对该亚族进行了筛选,如此反复,终使獐牙菜亚族呈现出短期内的快速物种分化。该亚族爆发式成种后,并没有足够的时间让类群之间形成明显的、可用于分类的“属级”cpDNA上的分子差异。  (2)獐牙菜亚族一新种单花獐牙菜(Swertia subuniflora)。  该新种发现于福建省金饶山,其区别于其近缘类群的主要特征是它的每个茎上仅有单花和卵状心形的茎生叶。  单花獐牙菜是一年生草本,有纤维根,基生叶有长柄,在花期枯存;茎生叶无柄;花五数;花丝线形,在基部不膨大,且彼此分离;花冠裂片基部具2个腺窝,腺窝直沟状。这些特征明显属于Sect.Swertopsis(Subgen.Ophelia)的典型分类学特征。基于cpDNA序列的分子系统学研究结果表明该种与抱茎獐牙菜(S.franchetiana)、川西獐牙菜(S.mussotii)和紫红獐牙菜(S.punicea)等Sect.Swertopsis(Subgen.Ophelia)类群亲缘关系最近。综合形态学和分子系统学研究结果,单花獐牙菜归属于Sect.Swet.Swertopsis(Subgen.Ophelia)。  (3)异型花的谱系地理学研究  联合后的cpDNA序列定义了12种单倍型,单倍型之间亲缘关系较近,其中两个为广布单倍型且较古老,其他多为居群特有单倍型。异型花居群间的分化程度较低,居群遗传分化系数NST小于GST,空间居群遗传结构聚类分析将异型花分为没有鲜明地理相关性的两组,表明异型花在其分布区内不存在典型的谱系地理结构。  根据冰期避难所假说,异型花的潜在冰期避难所至少有两个:一个在青藏高原东部边缘,另一个在青藏高原东南边缘及其毗连的小面积台面区域。歧点分布分析表明异型花起初经历过居群缩减,异型花退缩到其避难所,随后迅速扩张而达到个体平衡,后期的迅速扩张得到了中性检验的支持。  异型花本身的生物学特性导致其不善于基因交流,其居群演化过程中受到更新世以来的冰期旋回与气候波动的强烈影响,异型花的遗传多样性总体较低,避难所之外的居群更为明显,说明异型花经历了强烈的瓶颈效应和奠基者效应;阿尼玛卿山、昆仑山脉东部以及黄河形成了天然的地理屏障,限制了隔离带两侧异型花的基因交流。这些原因导致了异型花现有的遗传多样性分布格局。  (4)异型花和椭圆叶花锚的SSR研究  利用RAD-seq技术,我们分别获得了异型花和椭圆叶花锚的简化基因组数据。在此基础上,我们分别分析了异型花和椭圆叶花锚的SSR信息,开发了两个物种的SSR引物,并在多个自然居群中完成了多态性检验。
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