青藏高原肉果草叶绿体基因组及遗传多样性研究

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肉果草属(Lancea),仅肉果草(Lancea tibetica)和粗毛肉果草(Lancea hirsuta)2种,主要分布于青藏高原及其毗邻地区。现有基于叶绿体基因片段与核基因片段的分子系统发育研究均未能很好的解析肉果草属系统位置以及与近缘类群的亲缘关系;青藏高原的快速隆升和第四纪冰期的作用,极大地改变了地质地表与气候环境格局,驱动了该地区物种的分布与遗传分化,成为生物多样性热点区域。本研究利用第二代测序技术首次获取了肉果草、粗毛肉果草以及近缘种通泉草(Mazus japoncus)的叶绿体基因组,通过多种方法构建了系统发育树,分析探讨肉果草属系统位置以及与近缘类群的系统发育关系。同时,以肉果草31个居群456个个体为研究对象,基于微卫星标记技术研究其遗传多样性、遗传结构和种群历史动态。主要研究结果与结论如下:  (1)本研究获得的肉果草、粗毛肉果草及其通泉草的叶绿体基因组是通泉草科(Mazaceae)首次报道的叶绿体基因组序列。三种植物叶绿体基因组具有被子植物叶绿体基因组典型的四分体结构,其大小在153149~154045bp之间。三个叶绿体基因组共编码79个蛋白质基因,4个rRNA基因以及23(22)个tRNA基因(粗毛肉果草中trnT-UGU基因缺失)。通过与近缘类群叶绿体基因组比对分析发现其叶绿体基因组在结构上都非常保守,所有基因的排列顺序在这些基因组中都保持一致,没有大的倒位结构或基因排列顺序的改变,仅在边界区域存在少量结构差异,同时发现非编码区是主要的核苷酸变异热点区域。此外叶绿体基因组中含有丰富的串联重复序列,为今后开展分子系统学以及物种的遗传多样性研究提供了丰富的数据。  (2)本研究基于肉果草、粗毛肉果草、通泉草以及唇形目下57个物种叶绿体基因组数据,从全基因组序列、蛋白编码序列以及全基因组保守序列三个层面使用最大似然法(ML)和贝叶斯法(BI)构建系统发育树。结果显示基于三组不同数据得到的系统发育树拓扑结构大体一致,相较于基于叶绿体基因片段和核基因片段的传统系统学分析,物种间系统关系的解决程度和节点的支持率上都有一定的提高。在所有的系统发育树中肉果草属与通泉草属始终为姐妹类群,得到了100%的支持率的支持。且这一姐妹类群始终与透骨草科、泡桐科、列当科形成一进化枝,结果支持将肉果草属从广义玄参科剥离成立通泉草科。同时,基于保守序列的系统发育树,较好的解决了肉果草属与近缘类群的的系统发育关系。此外该系统发育研究还阐释了木犀科、苦苣苔科、玄参科、胡麻科、马鞭草科、狸藻科、爵床科以及唇形科下物种间的系统发育关系。基于不同数据的系统发育分析,出现了肉果草属与透骨草科拓扑结构上的差异,这可能是由于进化速率的差异或饱和替换所导致的,而基于叶绿体基因组保守序列的系统发育分析体现出较高的可靠性,适合叶绿体基因组的系统发育研究。  (3)本研究利用10对微卫星引物开展的肉果草遗传多样性、遗传结构以及种群历史动态研究表明,31个居群共获得747个基因型;观察杂合度(H.)介于0.3356到0.5250之间,平均值为0.4451;期望杂合度(He)介于0.2049到0.4317之间,平均值为0.3435。遗传分化系数(Fst)介于0.0034到0.4180之间,平均值为0.2206;基因流(Nm)介于0.3481到72.932之间,平均值为0.8832。肉果草居群内部遗传变异为81.6839%,居群间为18.3161%,而其遗传距离和地理距离之间存在显著的相关性。STRUCTURE遗传分组结果支持将肉果草分为两组:南部分支和北部分支;这一结果也得到了NJ树、主坐标分析(PCoA)以及BARRIER检测结果的印证。两个分支大体上是以念青唐古拉山为界,我们推测这可能是地理隔离与环境气候的双重作用的结果。肉果草中有10个居群经历过瓶颈效应,种群分化历史大约在47.6万年前(第二次青藏高原隆升之后同时也是倒数第二次冰期和倒数第三次冰期的间冰期)和28万年前(末次间冰期),说明其种群分化历史与青藏高原的隆升和冰期间冰期回旋过程相吻合。
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