互对醉鱼草的自然杂交起源与历史变迁研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院昆明植物研究所) | 被引量 : 1次 | 上传用户:liucm001
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自然杂交对物种形成的过程具有许多不同的影响,一方面杂交通过形成基因流或渐渗减缓物种间分化,另一方面杂交可能通过重组或者多倍化加速物种形成。玄参科(Scrophulariaceae)醉鱼草属(Buddleja L.)亚洲类群是一个青藏高原隆升过程中分化出的年轻类群,许多物种同域分布,花期重叠,种间自然杂交频繁发生。本研究在对地理分布进行系统调查的基础上,采用形态学、孢粉学、繁殖生物学和分子生物学等方法对与假设亲本互叶醉鱼草(B.alternifolia)和皱叶醉鱼草(B.crispa)同域分布的互对醉鱼草(B.× wardii)自然杂交起源进行验证、揭示杂交区遗传结构,并使用物种分布模型预测互叶醉鱼草与皱叶醉鱼草在不同历史时期的潜在适宜分布区。结果证实了互对醉鱼草为皱叶醉鱼草和互叶醉鱼草的自然杂交后代,在末次盛冰期后互叶醉鱼草与皱叶醉鱼草在青藏高原二次接触并且重叠分布区不断扩大。主要研究结果如下:1.地理分布的系统调查根据查阅标本、文献及相关记录,对互对醉鱼草、互叶醉鱼草和皱叶醉鱼草可能分布区进行系统调查表明,互对醉鱼草与皱叶醉鱼草、互叶醉鱼草具有9个同域分布区,与互叶醉鱼草具有1个同域分布区。此外,没有发现互对醉鱼草单独分布或仅与皱叶醉鱼草同域分布的现象。在同域分布区内,3种醉鱼草在同一植物群落中同时出现,它们之间没有明显的地理隔离。调查中没有发现同域分布区内生长其他醉鱼草属植物,也没有发现除青藏高原以外的互对醉鱼草种群。在9个同域分布区内三种醉鱼草数量差异大,除易贡(YG)和卡如(KR)两个分布区外,其余7个分布区互叶醉鱼草种群个体数量远大于皱叶醉鱼草和互对醉鱼草。三种醉鱼草多生长于路旁、田埂、河漫滩等容易受干扰的区域,人为干扰严重。2.形态性状比较通过对5个同域分布区的三种醉鱼草进行形态性状测量、统计分析与主成分分析,进一步佐证互叶醉鱼草与皱叶醉鱼草是区别明显的两个种,互对醉鱼草的形态性状基本介于两者之间,并且互叶醉鱼草的形态多样性低于皱叶醉鱼草的形态多样性。通过扫描电镜观察叶表面毛状体显示,互叶醉鱼草叶表面毛状体为8分枝星状毛,上表面散生、下表面密被,皱叶醉鱼草上下表面均密被4分枝叠生分枝毛,互对醉鱼草同时具有星状毛和分枝毛。花粉扫描电镜显示,互对醉鱼草、互叶醉鱼草和皱叶醉鱼草的花粉都是单粒椭球形,具辐射状排列的三孔沟,花粉表面较光滑,具褶皱波状穿孔,无法根据花粉表面微形态对三者进行区分。互叶醉鱼草花粉粒最小,长15.43-17.71 μm,平均16.70±0.62μm;皱叶醉鱼草花粉粒最大,长16.20-24.32 μm,平均20.49±1.82μm;互对醉鱼草的花粉长度介于两个亲本之间,长14.04-19.17 μm,平均17.51±1.39 μm,与皱叶醉鱼草具有显著差异而与互叶醉鱼草不具显著差异。花冠反射光谱比较分析表明,互叶醉鱼草没有明显的反射峰,皱叶醉鱼草与互对醉鱼草在485 nm处均有一个明显的反射峰,推测膜翅目的蜜蜂和鳞翅目的蝴蝶是皱叶醉鱼草和互对醉鱼草的共同传粉者。3.人工授粉与种子萌发对引种到昆明植物园的互叶醉鱼草和皱叶醉鱼草进行相互授粉实验表明,青藏高原互叶醉鱼草为母本的座果率为6.45%,未见种子萌发,反之座果率为64.71%,种子萌发率为61.95%;黄土高原互叶醉鱼草为母本的座果率为84.62%,但种子萌发率仅为16.07%,反之,座果率和种子萌发率分别为71.88%和47.92%。据此说明互叶醉鱼草与皱叶醉鱼草之间生殖隔离没有完全,且具有不对称的杂交亲和性。4、自然杂交的分子证据对巴河(BH)和塔吉(TJ)两个分布区共96个个体使用4个核基因片段和3个叶绿体片段进行测序结果显示,在亲本固定的变异位点,互对醉鱼草表现出两个亲本峰值的叠加。单倍型网络图表明,大部分互对醉鱼草个体同时拥有来自互叶醉鱼草和皱叶醉鱼草的单倍型;Structure分析表明,除BHWI9外,互对醉鱼草拥有来自两亲本的遗传物质概率大致相等;Newhybrid分析表明互对醉鱼草个体为F1代,进一步证明了互对醉鱼草为皱叶醉鱼草和互叶醉鱼草的杂交后代。三个叶绿体片段显示,在巴河分布区,互叶醉鱼草与皱叶醉鱼草的杂交以皱叶醉鱼草为母本;在塔吉分布区则表现为三种醉鱼草均共享同一种单倍型,无法区分杂交方向。5、杂交区三种醉鱼草的遗传多样性与遗传结构本研究选用10对微卫星位点对9个杂交区共393个个体进行遗传组成分析。结果表明,皱叶醉鱼草与互对醉鱼草均有较高的遗传多样性水平,平均期望杂合度HE分别为0.551和0.513,互叶醉鱼草遗传多样性水平较低,平均期望杂合度HE为0.380。尽管互叶醉鱼草在多个分布区种群数量大,推测其克隆繁殖的特性使其保持低遗传多样性水平。互叶醉鱼草不同种群间遗传分化(FST平均为0.253)大于皱叶醉鱼草不同种群间遗传分化(FST平均为0.169),表明互叶醉鱼草不同种群间基因流较小。互叶醉鱼草和皱叶醉鱼草种间分化水平高,平均FST值为0.416,PCoA结果也表明两亲本种群遗传结构清晰。互对醉鱼草与互叶醉鱼草和皱叶醉鱼草的遗传分化FST值分别为0.266和0.270,小于互叶醉鱼草和皱叶醉鱼草种间分化水平,也证明了互对醉鱼草与皱叶醉鱼草、互叶醉鱼草的亲缘关系很近。Structure分析结果表明,互对醉鱼草不同个体具有来自不同亲本的遗传物质比例是连续的,预示着回交的发生。6、不同时期互叶醉鱼草和皱叶醉鱼草潜在地理分布格局通过基于MaxEnt模型的互叶醉鱼草和皱叶醉鱼草分布模型构建结果表明,影响这两个物种分布的环境因子是最冷季度平均温度和最干燥/最潮湿季度降水量。在末次盛冰期,互叶醉鱼草分布区急剧缩小,皱叶醉鱼草分布区则有所扩张。在全新世中期,两个物种在青藏高原具有重叠分布区,并在之后重叠分布范围扩大。互叶醉鱼草与皱叶醉鱼草在末次盛冰期之后在青藏高原地区的再次相遇为两个物种自然杂交的发生创造了条件。对互叶醉鱼草与皱叶醉鱼草在本世纪中期(2050年)和本世纪末(2090年)潜在适宜分布区预测表明,在不同温室气体排放情景下,两种醉鱼草将持续扩大分布,并且分布中心向高纬度高海拔区域移动。互叶醉鱼草与皱叶醉鱼草的重叠分布区随温室气体排放的增加而增大,推测两种醉鱼草发生自然杂交的区域也会不断增大。
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