玄参属系统发育和生物地理学分析及砾玄参复合种的亲缘地理学研究

发布时间：2017-05-31 19:22

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【摘要】：一、世界玄参属的系统发育和生物地理研究玄参属(Scrophularia Linn.)植物是一类北半球温带广布的欧亚-北美间断分布的玄参科模式属植物。属下分两组：草本的玄参组和茎基部木质化的砾玄参组,包含200多个种。虽然该属有250多年的分类历史,但由于其形态性状尤其叶和花的复杂变异,玄参属的分类问题和系统学问题一直没有得到很好地解决。此外,由于玄参属分布广泛,此前的系统学研究均局限于某一地区(中亚或北美或欧洲),尚未能够对全世界玄参属的系统进化和生物地理历史进行全面深入的研究和阐述,但是它的起源、分化、迁移以及系统发育和进化时间框架是系统学家尤为感兴趣的问题。基于本研究室对玄参属材料的多年积累和GenBank下载的数据,本研究涵盖了来自71个分类单位的91个个体,这些分类单元涉及了玄参属所有的欧亚北美分布区和属下分组砾玄参组、玄参组的代表性物种。采用现在分子生物学的方法,对4个叶绿体基因间隔区片段和核ITS片段测序,进行联合片段构树,并结合分子钟估算和祖先分布重建的理论和方法,对全世界的玄参属的分子系统发育以及生物地理学进行了全面深入的研究,对玄参属内存留的一些分类问题、属内种间的系统关系进行了全面深入的阐释,并对玄参属的起源、演化、分布历史进行了推测,获得以下主要结果和重要发现：1)玄参属植物的系统发育与分类 以玄参目的代表属作为外类群,扩增叶绿体片段trnL-trnF、trnQ-rps16、psbA-trnH、trnG-trnS和ITS4-ITSleu共5个分子片段,通过最大简约法、最大似然法和贝叶斯推断分别对采自世界范围内各分布区的代表种(71个分类单元)进行了属的分子系统学研究。首次构建了一颗分辨率非常高的玄参属的系统树；揭示全世界玄参由5个谱系组成：广布欧亚大陆的翅茎玄参(S. umbrosa)为单位的基部分支、地中海草本玄参组分支、中亚半灌木砾玄参分支、北美草本玄参分支、以及东亚草本玄参分支；揭示三个来自日本和朝鲜半岛的玄参(S. musashiensis, S. duplicato-serrata, S. takesimensis)镶嵌在北美玄参分支内部,不支持北美玄参起源于东亚的假说,认为在中新世末期(-7.5Ma)玄参存在一次从北美向东亚的传播,形成玄参的东亚北美间断分布现象；揭示中亚砾玄参组茎基部木质化的分支是一个被强烈支持的单系,但是镶嵌在玄参组内部,即草本组玄参是一个并系类群。2)玄参属植物的起源及生物地理历史 基于5个DNA分子片段构建的玄参属系统发育框架,利用唇形目分子钟估算得到玄参属与近缘属Teedia分歧时间27.77 Ma作为二次校正点计算玄参属及属下各分支的分歧时间,并利用RASP方法进行了祖先分布区重建分析。揭示了玄参属的起源时间和起源中心：中新世中期(-18.9 Ma)的地中海,在中新世发生向东迁移到中亚和东亚,向西经大西洋路桥迁移到北美,形成环北半球温带分布的地理格局；揭示北美玄参由3个次级分支组成,证实在5 Ma左右发生过从北美东部大陆向安的列斯群岛迁移的事件,并发生物种快速辐射与分化,同时经历经白令陆桥向东亚传播事件,继而由日本-朝鲜半岛回迁至北美；首次揭示东亚草本玄参组成员是由三个次级谱系组成,大约在5 Ma分化完成的：1)E1西藏分支；2)E2中国中部-西北部-西南分支；3)E3中国东部分支,证实广布的玄参(S. ningpoensis)种复合体的存在；发现朝鲜半岛和日本玄参有两个来源：部分来自中国大陆的短距离迁移,而部分来自北美的长距离迁移；揭示玄参组先分布地---欧洲地中海的生物地理,由3个次级谱系构成,也发现从地中海伊比利亚半岛及南欧陆地向马卡洛尼西亚岛屿迁徙的事件；揭示茎基部木质化的砾玄参组与欧洲地中海草本玄参组具有强烈的姐妹群关系,认为砾玄参谱系明显是在中新世末期(～7Ma)随青藏高原隆起中亚干旱环境而产生的适应进化分支。二、环QTP分布的砾玄参复合种亲缘地理学研究系统发育研究揭示砾玄参组广布中亚至中国青藏高原和蒙古高原的砾玄参、齿叶玄参和裂叶玄参是一个复合种,被强烈支持的单系。这三个种分别是来自新疆的裂叶玄参、来自青海-甘肃-内蒙古的砾玄参和来自西藏的齿叶玄参,他们的形态和生境极为相似,均适宜生长在河滩石砾第、洪水冲击过的滩地和峡谷,仅在叶边缘的分裂程度上有细微差别；因此是研究青藏高原及周边地区物种形成机制与地理气候变迁关系的极好材料。本研究基于14个分布新疆和1个来自中亚的裂叶玄参群体,11个分布青海、3个分布甘肃和1个分布内蒙古满洲里的砾玄参群体,以及3个分布西藏的齿叶玄参群体,采用cpDNA、核基因微卫星SSR引物和核糖体ITS片段三个不同水平的分子标记进行深入的亲缘地理学研究,得到以下研究结果：1)基于2个cpDNA (trnL-trnF、psbA-trnH)片段的亲缘地理学分析结果,得到30个叶绿体单倍型,揭示这些单倍型形成两大谱系：中亚谱系和中国谱系,中国谱系又可以进一步分为三个与地理分布对应的次级分支,新疆分支、青海-甘肃-内蒙古分支和西藏分支。单倍型分歧时间估算的结果显示它们的共同祖先起源于上新世4.5 Ma,中国谱系开始分化的时间为3.28 Ma,这一时间与青藏高原的最后一次隆升3.5-1.6 Ma和塔里木盆地、准格尔盆地的极旱化时间(3.7 Ma)是极为吻合的,推断青藏高原最后一次隆升导致的气候变迁和塔里木和准格尔盆地极旱化-沙漠化导致的地理隔离产生了砾玄参复合种内异域物种分化。基于cpDNA单倍型祖先分布区重建的结果显示,砾玄参复合种的共同祖先起源于中亚地区,随后向东扩散,一条通道沿喜马拉雅山脉北麓到达西藏,另外一条通道沿新疆北部天山山脉和阿尔泰山迁移至青海、甘肃、宁夏以及经蒙古高原一直扩散到远东地区的大兴安岭的西缘。2)基于核基因微卫星12对引物SSR的砾玄参复合种遗传结构分析,揭示K=3时,得到最佳分组,分为三个基因池：中亚-新疆-内蒙古群体的红色基因池,青海群体的绿色基因池和西藏群体的蓝色基因池。与cpDNA的结果基本一致,推测新疆-中亚地区存在基因流,而内蒙古和新疆群体之间的共享基因池可能是祖先谱系不完全分选导致；甘肃瓜州和当金山群体与新疆群体共享红色基因池,且以红色基因池占主导,推测天山山脉与祁连山脉之间存在很强的古代基因流。核基因ITS的谱系分析显示与SSR基本一致的结果,揭示中亚、新疆和内蒙古的单倍型最先分化,不同之处在于新疆东部和青海甘肃的群体存在共有的红色单倍型,考虑到这一地区存在的严重的沙漠隔离,我们基本排除基因流的可能,推测这一现象可能由不完全谱系分选导致；西藏谱系和青海谱系共有的绿色广布单倍型,以及西藏特有单倍型嵌入青海-甘肃谱系,推测青海与西藏之间存在不对称的近代杂交事件。三、分类处理建议综合分子系统学、形态学和地理分布证据,对世界玄参属提出属内分组的处理建议：即分为砾玄参组(sect. Caninae)、地中海玄参组(即原玄参组sect. Scrophularia)、北美玄参组(sect. Americana)、东亚玄参组(sect. China)和翅茎玄参组(sect.Umbrosa);另外,砾玄参复合种的中亚群体应属于砾玄参原亚种,新疆的所有“裂叶玄参”和“砾玄参”群体应为新疆裂叶玄参亚种,内蒙古满洲里群体为砾玄参远东亚种,甘肃-青海分布的所有群体为砾玄参青海亚种,而西藏分布齿叶玄参仍然作为独立种处理。结合形态、分子和地理分布证据,提出朝鲜玄参(S. koraiensis)是丹东玄参(S. kakudensis)的异名。
【关键词】：玄参属 生物地理学 系统发育 祖先分布重建 分歧时间 砾玄参复合种 亲缘地理学 青藏高原地区 地理隔离
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q948.2
【目录】：

• 摘要7-11
• Abstract11-18
• 第一章 前言18-44
• 1.1 玄参属植物研究背景18-27
• 1.1.1 玄参属植物概况18
• 1.1.2 玄参属植物研究历史及现状18-27
• 1.2 分子系统学、生物地理学、亲缘地理学研究进展27-42
• 1.2.1 分子系统学概述27-32
• 1.2.2 生物地理学概述32-34
• 1.2.3 亲缘地理学概述34-40
• 1.2.4 东亚及青藏高原种子植物亲缘地理研究现状40-42
• 1.3 玄参属研究存在的问题42-43
• 1.4 本文研究内容及目的43-44
• 第二章 玄参属的系统发育重建和生物地理研究44-82
• 2.1 材料和方法45-61
• 2.1.1 分类单元材料来源45-54
• 2.1.1.1 采集与取样45-49
• 2.1.1.2 各主要物种的地理及生境信息49-54
• 2.1.2 分子系统学方法54-57
• 2.1.3 分化时间分析方法57-58
• 2.1.4 祖先分布区重建方法58-61
• 2.2 结果分析61-72
• 2.2.1 序列信息61-62
• 2.2.2 系统发育分析62-69
• 2.2.3 分歧时间估计69-72
• 2.2.4 祖先分布区重建72
• 2.3 讨论72-81
• 2.3.1 玄参属内形态学分组的系统学意义72-73
• 2.3.2 玄参属的起源、迁移和物种分化历史73-78
• 2.3.3 玄参属的生物地理分布格局78-79
• 2.3.4 核ITS与cpDNA序列拓扑结构的不一致性79-80
• 2.3.5 玄参属分类处理建议80-81
• 2.4 小结81-82
• 第三章 砾玄参微卫星引物开发82-94
• 3.1 材料和方法83-90
• 3.1.1 材料83
• 3.1.2 仪器、试剂及来源83
• 3.1.3 DNA提取83
• 3.1.4 微卫星富集文库构建、测序及引物设计83-88
• 3.1.4.1 基因组DNA酶切83-84
• 3.1.4.2 接头的制备及酶切产物的连接84
• 3.1.4.3 连接产物抑制PCR扩增及产物切胶纯化84-86
• 3.1.4.4 连接T载体、转化及测序86-88
• 3.1.5 微卫星引物设计88
• 3.1.6 PCR引物效率检测88-89
• 3.1.7 微卫星位点的多态性检测89-90
• 3.2 结果90
• 3.3 数据分析及讨论90-94
• 第四章 环青藏高原地区砾玄参复合种的亲缘地理学研究94-122
• 4.1 材料95-96
• 4.2 方法96-103
• 4.2.1 基因组总DNA的提取96-97
• 4.2.2 引物筛选,PCR扩增及序列测定97-98
• 4.2.3 群体遗传多样性及序列分析98-99
• 4.2.4 cpDNA和ITS单倍型谱系关系分析99-100
• 4.2.5 SSR群体遗传结构分析100-101
• 4.2.6 基于cpDNA的历史生物地理学分析101-103
• 4.3 结果分析103-116
• 4.3.1 cpDNA序列的测序结果103
• 4.3.2 基于cpDNA的单倍型谱系关系分析103-108
• 4.3.3 基于cpDNA和SSR的群体遗传多样性108-111
• 4.3.4 基于nrSSR标记的群体遗传结构分析111-113
• 4.3.5 nrITS单倍型谱系关系113
• 4.3.6 分子钟估算和祖先分布区重建113-116
• 4.4 讨论116-121
• 4.4.1 砾玄参复合种群体遗传结构与物种分化117-118
• 4.4.2 砾玄参复合种由中亚传入青藏高原118-119
• 4.4.3 地理隔离、冰期避难所和冰后期局部扩张119-120
• 4.4.4 谱系分选不完全和杂交120-121
• 4.5 总结121-122
• 第五章 总结与展望122-125
• 5.1 总结122-123
• 5.2 不足与展望123-125
• 参考文献125-138
• 附录138-146
• 在读期间的主要成果146-148
• 致谢148-149

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

1 宋怀龙;;晚中新世末期重大环境群发事件的影响与评估——古地中海干涸与世界荒漠及人科动物的形成[J];海洋地质与第四纪地质;2013年02期

2 田欣,李德铢;DNA序列在植物系统学研究中的应用[J];云南植物研究;2002年02期

3 武素功，，杨永平，费勇;青藏高原高寒地区种子植物区系的研究[J];云南植物研究;1995年03期

4 裴军令;李海兵;司家亮;家伟;吴富\

本文编号：410441