喜马拉雅—横断山区优越虎耳草谱系地理学研究

利用叶绿体DNA非基因编码区rpl20-rps12和trn L-trn F作为分子标记,对喜马拉雅—横断山区优越虎耳草13个居群151个个体进行谱系地理学研究,旨在揭示优越虎耳草现有的遗传结构及其演化历程。共检测到19个单倍型,其中63%的单倍型为居群特有单倍型。研究还发现,优越虎耳草居群总的遗传多样性较高(H_t=0. 868),居群内平均遗传多样性较低(H_s=0. 466)。分子变异分析(AMOVA)表明,优越虎耳草居群57. 37%的遗传变异来自居群内,居群间遗传变异为42. 63%。居群遗传分化系数N_(st)大于G_(st)(N_(st)=0. 463,G_(st)=0. 438,P0. 05),但不显著,表明优越虎耳草在其整个分布范围内没有明显的谱系地理结构。中性检验结果表明,Tajima’s D为负值(-1. 348 32,P 0. 05)而Fu’s F_s*为正值(18. 915 72,P 0. 05),但均不显著,结合歧点分布分析发现该物种在整个分布范围内未经历过居群扩张。此外,在本研究中优越虎耳草遗传多样性和核苷酸多样性较高的居群及大量特有单倍型在整个分布范围内随机分布,符合"微型避难所"假说。优越虎耳草居群在冰期可能随气候波动而发生分布范围的不断变化,最终在相互隔离的"高山岛屿"中发生异域分化,导致大量特有单倍型产生。因此,推测优越虎耳草与其生境中的乔木和灌木可能具有相似的谱系地理历史,它们可为优越虎耳草提供微型避难所而使之在冰期时保留下来。     

虎耳草属山羊臭组的界定和系统发育: 核糖体DNA ITS序列证据

虎耳草属Saxifraga山羊臭组sect. Ciliatae是该属中最大的一个组, 共有175种, 主要分布在喜马拉雅地区, 我国分布有166种, 占总种数的95%; 其中, 112种为中国特有。约80%的种类分布在我国青藏高原和西南地区, 是中国喜马拉雅植物成分的代表类群。山羊臭组内物种分化十分显著, 分类处理也很困难, 该组是否为单系类群, 组下的系统发育关系也不清楚, 均需进一步验证。本文测定了虎耳草属山羊臭组及其他组33种植物样品的核糖体DNA内转录间隔区ITS序列, 并从GenBank调取虎耳草组sect. Saxifraga等组和近缘属唢呐草属Mitella共22种植物的该序列。ITS分析结果表明: (1)所研究的山羊臭组类群聚为单独一支, 而且与垫状组sect. Porphyrion、虎耳草组、球茎组sect. Mesogyne和仅在欧洲分布的sect. Cymbalaria和sect. Cotylea等8个组聚成的另一分支构成姊妹群; (2)根据形态特征建立的山羊臭组的3个亚组即唐古拉亚组subsect. Hirculoideae、莲座状亚组subsect. Rosulares和具芽亚组subsect. Gemmiparae各自聚为一支, 但是莲座状亚组这一支的支持率较低。同时, 山羊臭组的鞭匐枝亚组subsect. Flagellares和subsect. Hemisphaericae的代表类群单独聚为一支, 位于具芽亚组类群分支内部而不能成立; (3)唐古拉亚组和莲座状亚组又聚为一亚分支与具芽亚组构成姊妹群, 而且具芽亚组最早从山羊臭组这一支中分化出来。我们的研究还发现山羊臭组内种间形态分化较大, 而ITS碱基变异较小, 这可能是山羊臭组类群在青藏高原及毗邻地区的高山环境下物种快速分化的结果。     

虎耳草属异叶虎耳草复合群的数量分类学研究

山羊臭组（Saxifraga sect. Ciliatae Haworth）隶属于虎耳草属（Saxifraga Tourn. ex L.）,具有极高的物种丰富度,但山羊臭组内部的系统发育关系一直都未能很好解决。唐古拉亚组（S. subsect. Hirculoideae Engl.）是山羊臭组中最大的亚组,主要分布于青藏高原及其周边地区。根据形态特征,可将唐古拉亚组划分为3个复合群,其中叶背边缘有突起叶脉的物种被归入异叶虎耳草复合群（S. diversifolia complex）。本研究通过标本查阅,选取异叶虎耳草复合群24个物种、2变种共657份标本,对其24个定性性状信息进行主成分分析和聚类分析;获取443条地理分布信息,构建复合群的分布式样。特征值大于1的前7个主成分的累计贡献率较低,仅为67.748%。“茎生叶是否具柄”“中下部茎生叶形态”“花序类型”“中下部茎生叶大小”“萼片脉纹于先端汇合”“叶基心形”等性状对前3个主成分的贡献值大,可作为异叶虎耳草复合群物种分类与鉴定的关键性状。基于形态聚类结果和地理分布式样,可将异叶虎耳草复合群划分为3个分支：喜马拉雅山南坡分支、环四川盆地山区分支以及横断山分支（包含一个广布种S. egregia）。主成分分析结果支持将异叶虎耳草复合群划分为3个分支。     

山地虎耳草和棒腺虎耳草转录组SSR和SNP分析

利用Illumina HiSeqTM2000对山地虎耳草和棒腺虎耳草进行转录组测序,分析和比较其SSR和SNP特征。结果表明:山地虎耳草63 763条Unigene序列中含有4 622个SSR,发生频率为7.25%,有110种重复基元,平均每10.00kb出现一个SSR位点;棒腺虎耳草60 972条Unigene序列中含有4 542个SSR,发生频率为7.45%,有85种重复基元,平均每10.40kb出现一个SSR位点,略低于山地虎耳草。山地虎耳草和棒腺虎耳草转录组序列的SSR优势基元均为三核苷酸重复。2个物种的转录组SSR以5~10次的较低重复次数为主,长度主要集中于12~30bp,具有较高的多态性。山地虎耳草和棒腺虎耳草中分别获得118 424个和112 006个SNP位点,编码区的SNP位点分别占30.40%和28.59%,且在编码SNP中同义突变所占比例(30.27%、28.48%)远高于非同义突变(0.13%、0.11%)。比较发现,2个物种的各项检索结果基本一致,推测与选取的组织部位、组织的发育阶段以及物种的亲缘关系有关。     

青藏高原及其毗邻山区蒙古绣线菊谱系地理学研究

以青藏高原及其毗邻山区的蒙古绣线菊23个居群324个个体为研究对象,选取叶绿体DNA非编码区trnL-trnF和rps15-ycf1片段对蒙古绣线菊进行谱系地理学研究。结果表明:(1)该研究区域中蒙古绣线菊亲缘关系相近的单倍型多发生于同一居群中,存在着明显的谱系地理学关系。(2)所检测得到的35个单倍型中,大约71.4%是居群内特有的单倍型,而出现频率最高的H1是最古老的单倍型,贝叶斯分析和单倍型简约网状图显示35个单倍型聚为地理分布范围各不相同的3个分支。(3)歧点分布分析得到分布图呈多峰曲线,说明蒙古绣线菊居群在较长的时间内发展稳定,没有经历突然的近期扩张。(4)BEAST分析结果显示,在45Mya左右开始出现蒙古绣线菊的谱系分支的分化。研究认为,蒙古绣线菊在青藏高原及其毗邻山区可能至少存在3个冰期避难所,其在青藏高原及其毗邻山区的分布格局主要是第四纪冰期-间冰期气候动荡、青藏高原隆升的共同作用的结果。     

基于MaxEnt模拟人类活动与环境因子对青藏高原特有植物祁连獐牙菜潜在分布的影响

以青藏高原特有植物祁连獐牙菜(Swertia przewalskii Pissjauk.)为材料,基于该物种18个种群分布点及8个生物气候变量、海拔变量以及人类活动强度变量,运用最大熵模型(Max Ent)和ArcGIS技术分别构建当前气候情景下及人类活动影响下祁连獐牙菜的适宜生境预测模型,研究人类活动及自然环境变量对祁连獐牙菜空间分布的影响。结果显示,人类活动影响下的训练集和测试集的AUC值均小于无人类活动干扰的AUC值,人类活动与祁连獐牙菜分布呈负相关。限制祁连獐牙菜分布的主要变量为海拔、等温性、人类活动足迹指数及平均温度日较差。当前气候情景下祁连獐牙菜的最适宜生境占祁连山国家公园青海片区总面积的36.6%,有利于该物种的保护和恢复,而位于门源县和祁连县保护区内一般控制区的潜在生境受到人为干扰的可能性较大,应加强关注和保护。     

基于查尔酮合酶基因探讨鲜卑花的种群动态历史与遗传分化

以高山灌木鲜卑花为研究材料,收集其在中国全部分布区域内的13个居群共139个个体,以查尔酮合酶基因(CHS)的内含子区域为分子标记,探讨鲜卑花的种群动态历史、遗传分化的时间与成因。在鲜卑花中CHS共鉴定了29种单倍型,单倍型多样性和核苷酸多样性分别为0.9248和0.007 545,遗传变异大;贝叶斯分析说明鲜卑花种内遗传分化的时间始于4.37 Ma左右。中性检验与歧点分布分析一致表明鲜卑花在近期经历了明显的居群扩张,估算的扩张时间在55.8 ka左右。研究结果表明鲜卑花在末次冰期间冰阶时期从冰期避难所向外经历了明显的居群扩张;而青藏高原的整体隆升导致的环境剧变,加剧了鲜卑花居群间的遗传分化。     

基于叶绿体基因序列rbcL-accD研究莛子藨的分子遗传多样性和谱系地理结构

莛子藨是莛子藨属的一种多年生草本植物,主要分布在青藏高原东北部及邻近高山地区和日本,为东亚特有种。本文基于叶绿体DNA基因间隔区rbcL-accD序列,对莛子藨物种水平的序列特征、分子遗传多样性和谱系地理结构进行研究。分析结果发现该区域莛子藨种群的遗传变异主要来自于居群间(72.28%),优势单倍型(H2)广泛分布,特有单倍型分散在多个居群。居群间遗传分化系数N_(ST)G_(ST),没有检测到显著谱系地理结构,而且居群间基因流较低(N_m=0.096),青藏高原及其邻近地区特殊地形和生态环境造成的地理隔离或者生境异质化可能是现有单倍型分布格局形成的原因。种群动态历史分析显示莛子藨经历过不显著的种群选择或者扩张事件,综合分析推测莛子藨居群应该是在间冰期或者冰期后从不同避难所扩散形成现在的分布格局,具体避难所还需进一步深入研究才能确认。     

唐古特虎耳草谱系地理学研究

利用叶绿体基因(trnL-trnF和rpl16)对青藏高原地区的18个唐古特虎耳草(Saxifraga tangutica Engl.)居群(209个个体)进行谱系地理学研究,以揭示唐古特虎耳草的现有遗传结构及其历史演化过程。结果表明:(1)从209个个体中共检测到74个单倍型,且只有单倍型H5在居群中广泛分布,71.62%的单倍型为居群特有单倍型。(2)分子变异分析(AMOVA)显示,91.85%的遗传变异来源于居群内,居群间遗传分化不明显(F_(ST)=0.081);遗传分化系数N_(ST)(0.109)大于G_(ST)(0.097,P0.05)但不显著,表明唐古特虎耳草在其整个分布范围内没有明显的谱系地理结构。(3)中性检验表明,Tajima’s D(-2.045 07,P0.05)和FuLi’D*值(-3.629 27,P0.05)均为显著的负值,结合单峰的错配分布曲线,表明该物种经历过近期扩张。研究推测,唐古特虎耳草在第四纪冰期时可能存在多个微型避难所,由于第四纪冰期气候的反复波动,使得原来连续的居群片段化,避难所内的居群单独进化,从而形成了大量特有单倍型;唐古特虎耳草居群对第四纪冰期气候波动的反应可能更多的表现为垂直海拔高度的迁移,而非大规模的水平迁移。     

窄叶鲜卑花(Sibiraea angustata)nrDNA ITS和cpDNA trnL-F序列分子进化特点的分析

应用PCR产物直接测序法分析了窄叶鲜卑花居群间nrDNA(核糖体DNA)ITS序列和cpDNA(叶绿体DNA)trnL-F的碱基差异,并与cpDNAtrnS-G序列和rpl20-rps12序列进行比较,从而初步研究两套植物基因组的变异速率。采用改良的CTAB法从硅胶干燥的窄叶鲜卑花叶片中提取总DNA,并对nrDNA ITS和cpDNAtrnL-F区域进行扩增、纯化、测序。nrDNA ITS序列共有601 bp,有变异位点3处,变异位点百分率为0.05%,(G+C)含量为41.4%。cpDNAtrnL-F序列共有927 bp,有变异位点1处,变异位点百分率0.01%,(G+C)含量为32.6%,两种序列的核苷酸多样性非常低。比较发现,窄叶鲜卑花nrDNA ITS区域较cpDNAtrnS-G序列和rpl20-rps12序列保守,变异速率较慢,比cpDNAtrnL-F序列变异速率稍快。通过对ITS序列单倍型(haplotype)进行分析发现,窄叶鲜卑花现有分布范围经历了居群近期范围扩张,与叶绿体基因组(trnS-G和rpl20-rps12序列)得出的结论一致。因此,窄叶鲜卑花nrDNA ITS序列适合该种的谱系地理学研究。