尾叶樱桃(Cerasus dielsiana)系统分类地位与种群生物地理学研究

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尾叶樱桃(Cerasus dielsiana)隶属蔷薇科(Rosaceae)典型樱亚属(Subg.Cerasus),是我国亚热带特有的一种代表性野生观赏落叶小乔木,天然种群分布较广且地理变异多样,具有十分广阔开发利用前景。但根据多年的野外调查,其种质资源大都处于野生状态,同时还面临人为干扰加剧、生境破碎化造成的种群衰退的风险,至今尚无针对该物种的系统研究报道。因此,本研究以尾叶樱桃主要分布区的天然种群为研究对象,在广泛的标本记录查阅和野外种群采样基础上,整合形态学标记、分子系统发育与亲缘地理学、景观遗传学的多个手段,深入开展了对该物种的研究,论文主要内容与获得的主要结果如下:(1)系统发育分析与分类学处理基于1个叶绿体DNA非编码区片段,初步开展了尾叶樱桃的系统发育重建,以期澄清该种与其近缘种间亲缘关系及分类地位,结果表明:1)在atpB-rbcL序列矩阵的774个有效位点中共发现15个多态性位点,占分析序列的1.94%,共检测出9个单倍型,物种间平均单倍型多样性(Hd=0.8805±0.026),平均核苷酸多态性(π=0.00711±0.00054),除尾叶樱桃外(Hap5~Hap7),其余物种均拥有各自独特的1个单倍型,具有较丰富的遗传多样性。2)综合Network中介图、系统发育重建与生物信息学手段的RNA二级结构预测的定量分析结果,我们推测尾叶樱桃与长柱尾叶樱桃(C.dielsiana var.longistyla)互为姊妹群(Sister group),并共同构成独立进化单元;虽然磐安樱桃(C.pananensi)的系统位置未能确认,但推测该种与浙闽樱桃(C.schneideriana)的亲缘关系较近,可能为古今多次杂交起源,且在近期最可能受到后者与山樱花(C.serrulata)的双重基因渐渗。3)基于上述分子证据结合形态学描述支持发表的尾叶樱桃的新变种——长柱尾叶樱桃。同时,综合模式标本考证与文献研究,依据《国际藻类、菌类、植物命名法规》精神,指定NO.5812(GH-00032047)作为尾叶樱桃的后选模式(lecotype)。(2)天然种群叶表型变异研究及生态响应规律通过多重比较、巢氏方差分析、相关性分析、主成分分析(PCA)、主坐标分析(PCoA)、非加权配对算术平均法(UPGMA)聚类分析等数理方法,初步对来自川、鄂、湘、赣、台5省8个尾叶樱桃天然种群的11个叶表型性状进行了比较分析,研究其不同地理单元间叶表型多样性和地理变异规律及对地理气候的响应。结果表明:1)尾叶樱桃主要叶表型性状变异在种群内和种群间均存在显著差异,平均变异系数为22.44%,其中变异系数最大和最小的分别为叶面积(50.83%)与一级侧脉数(7.96%);平均叶表型性状的分化系数为30.78%,种群内的变异(51.55%)大于种群间的变异(22.55%)。2)PCA表明对尾叶樱桃叶表型性状变异起主要贡献作用的前3大主成分累计贡献率达到92.400%,可以综合概括和排序为“大小性状”(73.242%)与“形状性状”(19.158%)。3)叶宽(r=–0.641)、叶面积(r=–0.658)和一级侧脉数(r=0.659)性状均与经度呈显著负相关或正相关关系,气温季节变化和最湿季降水量对叶表型性状变异影响较大。4)基于PCoA和UPGMA聚类分析可将8个天然种群划分为4类。(3)分子亲缘地理学研究利用双亲遗传的核糖体DNA内转录间隔区nrITS标记对尾叶樱桃天然分布区所在的25个种群的203个个体开展了空间遗传结构与谱系历史的检测:1)共检测到18个核糖体分型(ribotypes),在物种水平,尾叶樱桃具有较高的核糖体分型与核苷酸多样性(Hd=0.879±0.012,π=3.56±0.16);基于核糖体分型的中介邻接网络(Median-joining network)和分子变异的空间分析(Spatial analysis of molecular variation,SAMOVA)均支持尾叶樱桃天然地理种群存在4个显著的谱系地理种内分组:西部组(West Group)+北部组(North Group)+中南部组(Central&South Group)+东部组(East Group);基于邻接法(Neighbor-joining,N-J)的系统发育重建显示北部组为非单系类群,即其余3个地理组镶嵌在其中,表明种群存在不完全的谱系分选(Incomplete lineage sorting,ILS)现象;对上述4个地理分组进行的分子方差分析(Analysis of molecular variance,AMOVA)检测到了显著的遗传分化水平,其中有78.27%的遗传变异存在于种群间,而其余21.73%存在于种群内,表明其具有显著的谱系地理结构(Nst=0.837>Gst=0.585;P<0.05);2)利用BEAST软件结合7个外类群作二次校正点的分子钟分歧时间估算结果表明,尾叶樱桃的最近共祖时间(Time to the most recent common ancestor,TMRCA)大约出现在6.28Mya(95%HDP:3.64~8.83 Mya),即中新世晚期至上新世早期,其中东部组的冠群(Crown group)时间分化于更新世(Pleistocene,大约1.97 Mya)前后,时间与末次盛冰期(Last Glacial Maximum,LGM)相吻合;3)结合SDM的最大熵模型(Maximun entropy,MaxEnt)模拟比较了LGM时期与现代两种气候情境下的潜在分布区,发现在亚热带南方很可能曾存在多个冰期避难所。4)利用统计学的扩散-隔离分析法(Statistical dispersal-vicariance analysis,S-DIVA)的祖先分布区重建(Reconstruct ancestral state in phylogenies,RASP)软件分析进一步推测尾叶樱桃时间-地理事件的扩张路线。结果显示其祖先种群最早可能起源自北部地理组的秦岭-巴山山脉,随后先后经历了两次向南扩散事件,在东部-北部地理组间以及东部-西部地理祖间或曾存在2个次生分化中心,后又分别向西、南,西、向东方向扩张,逐渐形成现代的分布格局。(4)景观遗传学分析基于多种算法定量分析了栖息地景观特征对尾叶樱桃种群遗传结构形成过程中的影响:1)基于单倍型多样性(Hd)和反距离加权(Inverse Distance Weighting,IDW)差值法,反映出该物种种群的遗传多样性在总体上存在空间分布不均和随经度上呈东西分化的地理分布格局。2)基于种群间地理距离与遗传距离的曼特尔检验(Mantel test)结果表明两者存在较弱的相关性(r=-0.345,R2=0.1193),更加符合基因流模式的环境隔离(Isolation by environment,IBE)假说。3)基于成对基因流,检测到南岭-罗霄,巫山-武陵山山脉形成了种群间的地理隔离,其中尤以东西走向的南岭山脉是尾叶樱桃最显著的天然物理屏障,阻碍了4个谱系地理分组间的基因流,从而促进了不同谱系间的异域分化。此外,阿里山种群(ALS)基因流并未受到闽台之间台湾海峡地理隔离的影响,应与更新世冰期的“东山路桥”多次形成密切相关。(5)适生区模拟与生态特征评价为定量评估其当代多样性分布格局以及生态适应性,使用基于生态位理论的DIVA-GIS软件耦合BIOCLIM模型开展分析,结果包括:1)现代尾叶樱桃的分布范围较广,但在总体上存在分布不均匀格局,种群分布的核心地理范围集中在中国西部的巫山山脉和武陵山脉。2)水热变量,尤其是温度季节变化方差(bio4)被定量筛选出来,成为塑造当前地理格局的最具影响的因素。3)与同域分布的其它科植物(樟科、木兰科)比较,蔷薇科樱属植物的气候-生态位格局在区域尺度上支持水-热动态(Water-energy dynamic)假说和系统发育生态位保守性(Phylogenetic niche conservatism,PNC)假说。4)Pearson相关性分析与典范对应分析(Canonical correspondence analysis,CCA)结果均表明来自海拔生境过滤作用相比经度和纬度的作用更加显著。(6)保育计划的形成掌握遗传多样性和分布格局为物种保育或核心种质库建设提供科学决策。因此,从保育遗传学角度,大范围层面上,4个独立的原地保护单元(ix situ)能够被确定,其中处于North Group的大巴山-巫山和武陵山区作为祖先类型和现代遗传多样性中心应该予以高度重视和优先保护;而在资源(资金、人员)有限的情况下,湖南张家界(ZJJ)、壶瓶山(HPS),贵州梵净山(FJS)、广东南岭(NL)等遗传多样性最丰富的种群作为局域尺度下原地保护和核心种子库种源的主要对象。此外,考虑到气候变化、城市化和人类经济活动对尾叶樱桃野生生境和生存带来的不断威胁,开展一定的迁地(ex situ)保护、引种扩繁亦或是跨地域的人工异交计划可以作为重要的补充。总之,在地质事件、自然选择、地理隔离与环境阻力等一系列历史-生态的综合作用下,尾叶樱桃通过种群扩散-隔离-分化事件,逐渐形成当今的生物地理格局。上述研究结果为我国亚热带森林物种的多样性起源、演化模式提供了一个新的案例,也为今后野生樱属种质资源的保护与开发利用提供参考。
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