柏科崖柏属的系统发育基因组学和生物地理学研究

发布时间：2020-05-19 17:29

【摘要】：生物地理学是人们认知当今物种分布格局的重要学科。如何理解北半球特别是东亚和北美植物区系存在的区别和联系,仍然是系统学家和生物地理学家要面对的重大课题。地理隔离事件以及白令陆桥和北大西洋陆桥与邻近地区的频繁的隔离扩散的影响,使得北半球的生物地理格局变得十分复杂,其中东亚-北美的间断分布格局在最近很多年格外引人注目。之前研究表明,在被子植物的世系中,东亚起源然后迁移到北美被大量提及,而相反的情况即从北美起源再迁移到东亚的例子也大量存在。一些裸子植物的系统研究表明,很多物种经历了一个相似的发生和迁移模式。裸子植物起源更早,很多类群具有古老的多样性和经济价值,是理解东亚北美生物地理间断模式的理想材料。崖柏属是隶属柏科的一个小属,包含五个种:北美乔柏(Thujaplicata)、北美香柏(Thuja occidentalis)、崖柏(Thuja sutchuenensis)、朝鲜崖柏(Thuja koraiensis)和日本香柏(Thujastndishii)。崖柏属物种呈现典型的东亚北美间断分布,其中北美乔柏和北美香柏为北美特有种,其他三个种:崖柏、朝鲜崖柏和日本香柏只分布在东亚地区,且在东亚三国也呈现较明显的间断碎片化分布。尤其是我国特有种崖柏,不仅具有重要的学术研究意义,也具有重要的经济价值,但野生种群极少,呈高度濒危状态,因此,选择这一类群开展研究,从基因组层面筛选用于居群遗传学的分子标记,对将来的保护遗传学可以提供重要的依据。尽管多种数据被用来分析崖柏属植物的系统关系,例如形态解剖学数据、生态学数据、核DNA、微卫星DNA或少数几个叶绿体DNA的片段,然而一直没有一个统一的结论。随着二代测序技术的飞速发展,叶绿体基因组已经普遍用于植物系统与进化的研究中。叶绿体基因组序列能够提供大量的信息位点,因此能够在不同的分类水平很好的提高系统发育树的分辨率。除此之外,基于植物叶绿体基因序列进行比较基因组学研究能够对分子水平的进化提供更深入的理解,比如基因组的重排,基因的丢失等现象。在本研究中,利用崖柏属所有物种的完整的叶绿体基因组数据,进行比较基因组分析,系统发育分析以及生物地理学分析,用来研究崖柏属物种的叶绿体基因组进化和属内物种之间的系统关系,并探讨该属物种东亚-北美的间断分布格局的形成机制。主要结果如下:(1)崖柏属叶绿体基因组的完整大小:北美乔柏(Thuja plicata)为131,118 bp,崖柏(Thuja sutchuenensis)为130,668 bp,北美香柏(Thuja occidentalis)为131,602 bp,朝鲜崖柏(Thuja koraiensis)为 130,273 bp,日本香柏(Thuja standishii)为 130,505 bp。所有的崖柏属物种叶绿体基因组都缺少IR区域,因此没有典型被子植物叶绿体基因组的四分体结构,这与之前的在其他松柏类研究的结果相一致。另外,叶绿体基因组中的短重复序列(SSR)被检测出来,可以为将来的群体遗传学研究提供分子标记。(2)系统发育结果表明,崖柏属是强烈支持的单系,北美乔柏、北美香柏和崖柏是属内较早分化出来的物种,其中崖柏和北美香柏是姐妹群,日本香柏和朝鲜崖柏的姐妹关系得到了很好的支持。崖柏属和罗汉柏属(Thujopsis)的姐妹群关系得到了进一步的确认。(3)通过生物地理学分析,推测该类群的起源主要来自日本/北美西部。崖柏属早期生物地理格局很可能受到了跨大陆扩散和隔离事件的影响。生物地理分析结果表明,中新世至上新世和第四纪相继发生的重要地质历史事件促成了崖柏属现今的生物地理分布。本研究利用裸子植物崖柏为研究材料,并采用系统发育基因组学手段,对东亚北美植物间断分布的复杂历史提供了新的认知。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院武汉植物园)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q943;Q948.2

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