梅花草属的系统学研究

发布时间：2020-04-17 17:35

【摘要】：梅花草属(Parnassia)隶属于卫矛科(Celastraceae),是一类广泛分布于北温带地区的花白色(少为绿色)、单生茎顶的多年生草本植物,有61个种,具较高的生态和经济价值。在形态系统学研究方面,前人基于4个形态性状,将梅花草属划分为了一个包含六大类的分类系统。然而,在分子系统学研究方面,迄今相关研究仅局限于利用少数几个通用基因序列片段进行的系统发育分析,且存在支持率较低等问题,结果不具代表性和说服力。另外,通过野外居群观察及标本测量,发现该属长药隔亚组Subsect.Xiphosandra的三个种P.brevistyla,P.delavayi和P.leptophylla仍存在分类学问题;种子是被子植物体承载着大量重要遗传信息的繁殖器官,具有相对稳定的性状,但目前尚无利用梅花草属种子相关的表型性状用于形态分类学研究的有关报道。基于上述问题,本研究选取分别代表六大类划分的六个种(P.palustris、P.longipetala、P.trinervis、P.crassifolia、P.delavayi及P.wightniaa)为研究材料,利用高通量测序技术获取这些种的叶绿体基因组序列,并针对该属27种64样品开展分子系统学研究,同时借助扫描电镜获取22种梅花草属植物种子微形态数据,对长药隔亚组进行合理的分类学处理,拓展该属经典系统学研究的内容。主要研究结果与结论如下:1.本研究通过Illumina HiSeq 4000平台测序,采取PE150策略,共得到72 GB原始数据,BLAST 后得到P.palustris 2,225,059 reads、P.longpetala 1,555,160 reads、P.trinervis 4,263,164 reads、P.crassifolia 1,307,560 reads、P.delavayi 2,052,332 reads及P.wightin aa3,645,249 reads,拼接后得到其叶绿体全基因组长度分别为:148,700 bp、152,748 b?、153,788 b?、151,655 b?、151,552 b?及151,671 b?;基于Geneious分析的结构结果显示,该属物种cpDNA的GC含量为36.9%-37.2%,共编码115个基因(P.palustris 105个),其中81个蛋白编码基因(P.palustris 71个)、30个转运RNA以及4个核糖体RNA;此外,梅花草属都是有18个基因分布在叶绿体基因组的反向重复区(IR),大多数都是20个基因含有内含子,除了梅花草的少了一个ndhA基因;基于这6个种cpDNA同源序列构建的分子发育树,发现该属六大类代表物种的进化关系较为明确,每个分支都形成了很好的单系群,从而进一步验证了梅花草属在卫矛科里的系统位置。2.基于cpDNA序列比对分析结果,发现37个高变区域,通过大量引物扩增试验后筛选得到19个表现出高水平多态性的片段(ccsA-psaC,psaC-rps15,ndhG-ndhA,ndhA,ycf1,rps3-rps1 9,rps8-rps3,psbB-petB,clpP-psbB,rpl20-clpP,psbE-petL,petA-psbF,rbcL-accD,atpB-rbcL,trnL-UAA-ndhJ,ycf3-rps4,psaA-ycf3,petN-trnE-UUC,atpF-atpl)。利用这些高变区片段,结合核基因ITS片段,发现对来自该属27个种的64份样品构建的分子进化树存在五个高支持率的分支:P.faberi和P.longipetala构成基部类群Ⅰ(退化雄蕊不裂或唇形);P.bifolia作为过渡类群(退化雄蕊 2 裂,花瓣全缘),构成单系类群 Ⅱ;P.cabulica、P.nubicola、P.oreophila、P laxmannii及P.trinervis构成分支Ⅲ(退化雄蕊扁平3裂,花瓣边缘啮齿状);P.palustris(退化雄蕊多分枝,花瓣全缘),构成单系类群Ⅳ;分支Ⅴ由剩余15种梅花草植物共同构成,分支内具有三种退化雄蕊(不裂、扁平3裂及5裂)及具三种花瓣边缘(全缘、流苏状及啮齿状)。此外,分子进化树和表观性状的联合分析结果显示,该属的形态性状(如花瓣边缘状态及退化雄蕊分裂状态)是多次发生,且部分物种存在杂交现象(如P.wightiana)。几乎所有的分支都具有完全的支持率,说明了基于叶绿体基因组筛选出的高变区片段可以更好的解决属间系统发育关系。3.对该属22个种植物种子(涵盖了六大类划分)的微形态观察结果显示,该属外种皮可分为三个主要类别:1)种皮呈囊状翅形,具孔穴型网状纹饰:P.palustris、P.nubicola、P.lutea、P.oreophila;2)过渡类群:P.bifolia;3)种皮正常发育,不呈囊状翅形,具梯形纹饰:P.faberi、.noemiae、P.obovata、P.amoena、P.longipelata、P.mysorensis、P.chinensis、P.foliosa、P.crassifolia、P.perciliata、P.cooperi、P.wightiana、P.gansuensi.P.dfelavayi、P.brevistyla、P.tenella、P.trinervis。根据其种皮微形态特征,建立了本属的分种检索表。4.对P.brevistyla,P.delavayi和P.leptophllla三个种共1300余份标本的经典分类学的研究结果显示,P.brevistyla,P.delavayi和P.leptophylla的叶片形状及退化雄蕊裂片的深度,在统计学上均呈现连续变异状态,不支持三个物种的区分。综上,本研究对梅花草属物种叶绿体基因组序列的分子进化与系统发育进行分析,结果基本支持该属基于形态学性状的六大类的分类划分;形态学证据及分子学证据均支持P.brevistyla,P.delavayi和P.leptophylla为同一物种,应予以归并。另外,通过梅花草属大部分物种的表皮纹饰微形态学研究,认为该性状具有较高的分类学价值。本研究的结果有助于深化理解梅花草属物种间的系统发育关系,并为进一步探究该属植物在被子植物类群中的进化位置及性状演化趋势提供研究基础。
【图文】：

典型形态,种子,植株,叶片

研究及分类系统逡逑ａｒｗｍ／ａ邋Ｌｉｎｎ．邋（Ｌｉｎｎａｅｕｓ，邋１７５３）隶属于卫矛科（Ｃｅｌａｓ多年生小草本，主要分布于东亚和北美，中国和喜马Ｓｉｍｍｏｎｓ，邋２００４；吴征镒等，２００３；吴丁，邋２００５；舒渝民，不分枝，中部大多具有１枚叶片，偶有为２叶或数叶数枚或呈莲座状，全缘；茎生叶无叶柄，常半抱茎。，绿色，披针形；花瓣白色或绿色，脉明显绿色，边５枚，与花瓣互生，偶有物种的药隔伸长成盾形（花瓣对生，呈扁平状：先端３浅裂至深裂，或呈分枝状：２。子房半下位或上位，３至５心皮；蒴果有时带棱；黄褐色或黑褐色，种皮囊状翅形或正常发育。逡逑

退化雄蕊,蒴果,雄蕊,可育

绝大多数梅花草植物的可育雄蕊药隔正常发育，顶端不突出，只有短柱梅花草逡逑尸？砂／ａ，突隔梅花草／！邋ｃ／ｅ／ｆｌｖａｊｚ＇和细裂梅花草户的可育雄蕊药隔顶端逡逑突出，形成一个匕首状的附属物（图１．２ｇ）。据此性状，曾被Ｆｒａｎｃｈｅｔ（１８９７）处理为逡逑单独的组，即长药隔组之后仅得到了吴征镒（２００３）等少数学者的逡逑支持。谷粹芝（１９８７）将之降级为扁平三裂组的一个亚组，长药隔亚组Ｓｕｂｓｅｃｔ．逡逑Ｘ／ｐ／ｗＭ；？／ｒａ（Ｆｒａｎｃｈ．）Ｋｕ。这三个种的独特特征仅仅是药隔的突出，其余性状均符合逡逑扁平三裂组，且药隔突出的程度有变异，从１ｍｍ到５邋ｍｍ均有（吴丁，２００５）。它们的逡逑其他性状均与其余退化雄蕊扁平三裂的种类相似，因此大部分学者将其直接或者作为逡逑亚组放入扁平三裂组（Ｎｅｋｒａｓｓｏｖａ，，邋１９２７；邋Ｅｎｇｌｅｒ，邋１９３０；邋Ｈａｎｄｅｌ－Ｍａｚｚｅｔｔｉ，邋１９４１）。逡逑ｍｍＭ逡逑图１．２突隔梅花草：生境（１），个体（２），花（３），退化雄蕊（４），蒴果（５，邋６）及可育逡逑雄蕊（７）。比例尺：１邋ｍｍ。（舒渝民２０１７）逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｐａｒｎａｓｓｉａ邋ｄｅｌａｖａｙｉ：邋ｈａｂｉｔａｔ邋（１）
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q949.754.7

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