玄參屬系統(tǒng)發(fā)育和生物地理學(xué)分析及礫玄參復(fù)合種的親緣地理學(xué)研究.pdf

1、一、世界玄參屬的系統(tǒng)發(fā)育和生物地理研究
　　玄參屬（Scrophularia Linn.）植物是一類北半球溫帶廣布的歐亞-北美間斷分布的玄參科模式屬植物。屬下分兩組:草本的玄參組和莖基部木質(zhì)化的礫玄參組，包含200多個(gè)種。雖然該屬有250多年的分類歷史，但由于其形態(tài)性狀尤其葉和花的復(fù)雜變異，玄參屬的分類問(wèn)題和系統(tǒng)學(xué)問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好地解決。此外，由于玄參屬分布廣泛，此前的系統(tǒng)學(xué)研究均局限于某一地區(qū)（中亞或北美或歐洲），尚未能夠?qū)?/p>

2、全世界玄參屬的系統(tǒng)進(jìn)化和生物地理歷史進(jìn)行全面深入的研究和闡述，但是它的起源、分化、遷移以及系統(tǒng)發(fā)育和進(jìn)化時(shí)間框架是系統(tǒng)學(xué)家尤為感興趣的問(wèn)題?；诒狙芯渴覍?duì)玄參屬材料的多年積累和GenBank下載的數(shù)據(jù)，本研究涵蓋了來(lái)自71個(gè)分類單位的91個(gè)個(gè)體，這些分類單元涉及了玄參屬所有的歐亞北美分布區(qū)和屬下分組礫玄參組、玄參組的代表性物種。采用現(xiàn)在分子生物學(xué)的方法，對(duì)4個(gè)葉綠體基因間隔區(qū)片段和核ITS片段測(cè)序，進(jìn)行聯(lián)合片段構(gòu)樹，并結(jié)合分子鐘估算和祖

3、先分布重建的理論和方法，對(duì)全世界的玄參屬的分子系統(tǒng)發(fā)育以及生物地理學(xué)進(jìn)行了全面深入的研究，對(duì)玄參屬內(nèi)存留的一些分類問(wèn)題、屬內(nèi)種間的系統(tǒng)關(guān)系進(jìn)行了全面深入的闡釋，并對(duì)玄參屬的起源、演化、分布?xì)v史進(jìn)行了推測(cè)，獲得以下主要結(jié)果和重要發(fā)現(xiàn):
　　1)玄參屬植物的系統(tǒng)發(fā)育與分類以玄參目的代表屬作為外類群，擴(kuò)增葉綠體片段trnL-trnF、trnQ-rps16、psbA-trnH、trnG-trnS和ITS4-ITSleu共5個(gè)分子片段，通過(guò)

4、最大簡(jiǎn)約法、最大似然法和貝葉斯推斷分別對(duì)采自世界范圍內(nèi)各分布區(qū)的代表種（71個(gè)分類單元）進(jìn)行了屬的分子系統(tǒng)學(xué)研究。首次構(gòu)建了一顆分辨率非常高的玄參屬的系統(tǒng)樹;揭示全世界玄參由5個(gè)譜系組成:廣布?xì)W亞大陸的翅莖玄參（S.umbrosa）為單位的基部分支、地中海草本玄參組分支、中亞半灌木礫玄參分支、北美草本玄參分支、以及東亞草本玄參分支;揭示三個(gè)來(lái)自日本和朝鮮半島的玄參（S.musashiensis，S.duplicato-serrata，S

5、.takesimensis）鑲嵌在北美玄參分支內(nèi)部，不支持北美玄參起源于東亞的假說(shuō)，認(rèn)為在中新世末期(～7.5Ma)玄參存在一次從北美向東亞的傳播，形成玄參的東亞北美間斷分布現(xiàn)象;揭示中亞礫玄參組莖基部木質(zhì)化的分支是一個(gè)被強(qiáng)烈支持的單系，但是鑲嵌在玄參組內(nèi)部，即草本組玄參是一個(gè)并系類群。
　　2)玄參屬植物的起源及生物地理歷史基于5個(gè)DNA分子片段構(gòu)建的玄參屬系統(tǒng)發(fā)育框架，利用唇形目分子鐘估算得到玄參屬與近緣屬Teedia分歧時(shí)間

6、27.77 Ma作為二次校正點(diǎn)計(jì)算玄參屬及屬下各分支的分歧時(shí)間，并利用RASP方法進(jìn)行了祖先分布區(qū)重建分析。揭示了玄參屬的起源時(shí)間和起源中心:中新世中期(～18.9 Ma)的地中海，在中新世發(fā)生向東遷移到中亞和東亞，向西經(jīng)大西洋路橋遷移到北美，形成環(huán)北半球溫帶分布的地理格局;揭示北美玄參由3個(gè)次級(jí)分支組成，證實(shí)在5 Ma左右發(fā)生過(guò)從北美東部大陸向安的列斯群島遷移的事件，并發(fā)生物種快速輻射與分化，同時(shí)經(jīng)歷經(jīng)白令陸橋向東亞傳播事件，繼而由日

7、本-朝鮮半島回遷至北美;首次揭示東亞草本玄參組成員是由三個(gè)次級(jí)譜系組成，大約在5 Ma分化完成的:1）E1西藏分支;2）E2中國(guó)中部-西北部-西南分支;3）E3中國(guó)東部分支，證實(shí)廣布的玄參（S.ningpoensis）種復(fù)合體的存在;發(fā)現(xiàn)朝鮮半島和日本玄參有兩個(gè)來(lái)源:部分來(lái)自中國(guó)大陸的短距離遷移，而部分來(lái)自北美的長(zhǎng)距離遷移;揭示玄參組先分布地---歐洲地中海的生物地理，由3個(gè)次級(jí)譜系構(gòu)成，也發(fā)現(xiàn)從地中海伊比利亞半島及南歐陸地向馬卡洛尼西

8、亞島嶼遷徒的事件;揭示莖基部木質(zhì)化的礫玄參組與歐洲地中海草本玄參組具有強(qiáng)烈的姐妹群關(guān)系，認(rèn)為礫玄參譜系明顯是在中新世末期(～7Ma)隨青藏高原隆起中亞干旱環(huán)境而產(chǎn)生的適應(yīng)進(jìn)化分支。
　　二、環(huán)QTP分布的礫玄參復(fù)合種親緣地理學(xué)研究
　　系統(tǒng)發(fā)育研究揭示礫玄參組廣布中亞至中國(guó)青藏高原和蒙古高原的礫玄參、齒葉玄參和裂葉玄參是一個(gè)復(fù)合種，被強(qiáng)烈支持的單系。這三個(gè)種分別是來(lái)自新疆的裂葉玄參、來(lái)自青海-甘肅-內(nèi)蒙古的礫玄參和來(lái)自西藏的

9、齒葉玄參，他們的形態(tài)和生境極為相似，均適宜生長(zhǎng)在河灘石礫第、洪水沖擊過(guò)的灘地和峽谷，僅在葉邊緣的分裂程度上有細(xì)微差別;因此是研究青藏高原及周邊地區(qū)物種形成機(jī)制與地理氣候變遷關(guān)系的極好材料。
　　本研究基于14個(gè)分布新疆和1個(gè)來(lái)自中亞的裂葉玄參群體，11個(gè)分布青海、3個(gè)分布甘肅和1個(gè)分布內(nèi)蒙古滿洲里的礫玄參群體，以及3個(gè)分布西藏的齒葉玄參群體，采用cpDNA、核基因微衛(wèi)星SSR引物和核糖體ITS片段三個(gè)不同水平的分子標(biāo)記進(jìn)行深入的親

10、緣地理學(xué)研究，得到以下研究結(jié)果:
　　1)基于2個(gè)cpDNA（trnL-trnF、psbA-trnH）片段的親緣地理學(xué)分析結(jié)果，得到30個(gè)葉綠體單倍型，揭示這些單倍型形成兩大譜系:中亞譜系和中國(guó)譜系，中國(guó)譜系又可以進(jìn)一步分為三個(gè)與地理分布對(duì)應(yīng)的次級(jí)分支，新疆分支、青海-甘肅-內(nèi)蒙古分支和西藏分支。單倍型分歧時(shí)間估算的結(jié)果顯示它們的共同祖先起源于上新世4.5 Ma，中國(guó)譜系開(kāi)始分化的時(shí)間為3.28 Ma，這一時(shí)間與青藏高原的最后一次

11、隆升3.5-1.6 Ma和塔里木盆地、準(zhǔn)格爾盆地的極旱化時(shí)間(3.7 Ma)是極為吻合的，推斷青藏高原最后一次隆升導(dǎo)致的氣候變遷和塔里木和準(zhǔn)格爾盆地極旱化-沙漠化導(dǎo)致的地理隔離產(chǎn)生了礫玄參復(fù)合種內(nèi)異域物種分化?；赾pDNA單倍型祖先分布區(qū)重建的結(jié)果顯示，礫玄參復(fù)合種的共同祖先起源于中亞地區(qū)，隨后向東擴(kuò)散，一條通道沿喜馬拉雅山脈北麓到達(dá)西藏，另外一條通道沿新疆北部天山山脈和阿爾泰山遷移至青海、甘肅、寧夏以及經(jīng)蒙古高原一直擴(kuò)散到遠(yuǎn)東地區(qū)的

12、大興安嶺的西緣。
　　2)基于核基因微衛(wèi)星12對(duì)引物SSR的礫玄參復(fù)合種遺傳結(jié)構(gòu)分析，揭示K=3時(shí)，得到最佳分組，分為三個(gè)基因池:中亞-新疆-內(nèi)蒙古群體的紅色基因池，青海群體的綠色基因池和西藏群體的藍(lán)色基因池。與cpDNA的結(jié)果基本一致，推測(cè)新疆-中亞地區(qū)存在基因流，而內(nèi)蒙古和新疆群體之間的共享基因池可能是祖先譜系不完全分選導(dǎo)致;甘肅瓜州和當(dāng)金山群體與新疆群體共享紅色基因池，且以紅色基因池占主導(dǎo)，推測(cè)天山山脈與祁連山脈之間存在很強(qiáng)

13、的古代基因流。核基因ITS的譜系分析顯示與SSR基本一致的結(jié)果，揭示中亞、新疆和內(nèi)蒙古的單倍型最先分化，不同之處在于新疆東部和青海甘肅的群體存在共有的紅色單倍型，考慮到這一地區(qū)存在的嚴(yán)重的沙漠隔離，我們基本排除基因流的可能，推測(cè)這一現(xiàn)象可能由不完全譜系分選導(dǎo)致;西藏譜系和青海譜系共有的綠色廣布單倍型，以及西藏特有單倍型嵌入青海-甘肅譜系，推測(cè)青海與西藏之間存在不對(duì)稱的近代雜交事件。
　　三、分類處理建議
　　綜合分子系統(tǒng)學(xué)、

14、形態(tài)學(xué)和地理分布證據(jù)，對(duì)世界玄參屬提出屬內(nèi)分組的處理建議:即分為礫玄參組（sect.Caninae）、地中海玄參組（即原玄參組sect.Scrophularia）、北美玄參組（sect.Americana）、東亞玄參組（sect.China）和翅莖玄參組（sect.Umbrosa）;另外，礫玄參復(fù)合種的中亞群體應(yīng)屬于礫玄參原亞種，新疆的所有“裂葉玄參”和“礫玄參”群體應(yīng)為新疆裂葉玄參亞種，內(nèi)蒙古滿洲里群體為礫玄參遠(yuǎn)東亞種，甘肅-青海分布