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香果树(Emmenopterys henryi)的亲缘地理学和景观遗传学研究

已有 3428 次阅读 2016-5-6 23:06 |个人分类:学术科研|系统分类:科普集锦| 景观遗传学, 亲缘地理学

香果树(Emmenopterys henryiOliv.)隶属茜草科(Rubiaceae)康达明族(Condamineeae)香果树属(Emmenopterys),为中国特有的单种属植物。香果树祖先类群在始新世到中新世曾广泛分布于北半球,目前仅分布于中国亚热带地区(北至秦岭北坡,南至云南文山麻栗坡)海拔400–2200米处的沟谷或山坡谷地的暖温带落叶阔叶林中,香果树的野外资源量有限,现已被列入我国二级重点保护植物。该物种在中国的分布范围广,是一个很好的检验地理隔离、景观隔离以及自然选择在谱系分化中相对作用模式系统。此外,解析香果树的中性与适应性遗传多样性的空间分布,将为该物种的科学保护提供理论指导与技术支持。由于叶绿体DNA遗传信息更多地反映过去一系列的历史事件所遗留的痕迹,而核基因组的遗传信息则能反映近期发生的基因流过程和状况,因此,本研究利用叶绿体DNAcpDNA)片段(psbAtrnHtrnLtrnFtrnTtrnL)、细胞核核糖体DNA的内转录间隔区(ITS)序列以及AFLPs分子标记联合分析香果树分布区内38个群体的遗传多样性、遗传结构以及谱系地理结构。基于系统发生学、亲缘地理学、群体遗传学及景观遗传学等分析方法,解析了物种与谱系进化历史和谱系分化的生态与地理因素。主要结果如下:

1)叶绿体与核糖体DNA的遗传多样性与遗传结构

基于cpDNAITS的系统发生分析结果表明,香果树大致以长江流域为界分为两大谱系,即南部谱系和北部谱系。在种水平,香果树遗传多样性非常高(cpDNAhT= 0.928πT= 0.00271ITShT = 0.675πT= 0.00195),而群体水平的遗传多样性较低(hS= 0.291πS= 0.00054ITShS = 0.347πS= 0.000828),因此群体间分化大(cpDNAFST = 0.779ITSFST =0.558)。南部谱系的遗传多样性(cpDNAhT= 0.889πT= 0.00215ITShT = 0.687πT= 0.0022)高于北部谱系(cpDNAhT = 0.818πT = 0.00196ITShT = 0.561πT =0.00085)。此外,南部谱系的群体遗传分化(cpDNAFST = 0.823ITSFST =0.558)明显大于北部谱系(cpDNAFST =0.551ITSFST =0.184)。基于叶绿体片段的 SAMOVA 分析,南、北谱系又各自进一步分为东、西两个地理组,即东南地理组、中部西南地理组、东北地理组和西北地理组。香果树在种水平(GST/NST =0.704/0.802P < 0.01和南部谱系GST/NST = 0.757/0.868P < 0.05)具有明显的谱系地理结构,并在种内r = 0.237P =0.001和南北谱系内(北部谱系:r= 0.506P = 0.001南部谱系:r = 0.293P = 0.001)均检测到距离隔离效应(Isolation-by-DistanceIBD)。

2谱系分化与群体动态历史分析

基于叶绿体单倍型数据,使用松散分子钟的贝叶斯系统进化分析方法,由BEAST软件估算得到:香果树南北谱系分化的时间约为5.06百万年前(Ma)(95% HPD1.68–8.91 Ma),谱系内的分化时间分别约为3.64Ma(南部谱系,95%HPD1.18–6.42 Ma)和3.42 Ma(北部谱系,95% HPD0.99–6.40 Ma),因此谱系分化与中新世/上新世的气候波动导致物种的气候避难所隔离有关。通过中性检验和失配分布分析得到,东南、东北和西北3个地理组符合空间扩张模型,其扩张时间分别为:东南地理组c. 0.23 Ma95% CI0.000–0.811 Ma);东北地理组c. 0.19 Ma95% CI0.111–0.314 Ma);西北地理组c.0.26 Ma95% CI0.133–0.376 Ma,均在倒数第二个冰期[里斯冰期(c. 0.120.35 Ma)]区间内

3)物种生态位模型模拟与谱系生态位分化分析

用香果树的114分布记录点的地理信息,以6个生物气候指标为环境因子,使用MAXENT软件对香果树过去[末次间冰期(LIGc.130–140 kya BP)、末次盛冰期(LGMc.21 kya BP)]、当代(19502000)以及未来(2080)的潜在分布区做出预测。结果表明,尽管目前的分布预测很好的代表了该种的现存分布区,但有些预测地区并没有该种的分布记录(如青藏高原的东南部以及台湾地区)。与现代的分布区相比:在LIG时期,香果树具有很窄的潜在分布区范围,特别是华中及华北地区(比如,四川盆地的北部以及秦岭大巴山系);在LGM时期,香果树的潜在分布区大幅地拓展,占据了中国亚热带大片低地区域。但是,在将来的2080年,除了北方秦岭大巴山系之外,香果树其他的潜在分布区(特别是长江以南地区)急剧压缩。谱系生态位分化分析表明,香果树南北谱系的生态位存在明显的分化,与其相关的主导因子是与降水相关的生物气候因子。

4AFLPs的遗传多样性与遗传结构

筛选了9AFLP引物组合,对394个香果树群体的遗传变异进行了分析。9AFLP引物共扩增出了457条带峰值清晰、可重复、可判读的条带,其中431条(94.31%)为多态性条带。香果树具有较高的种内遗传多样性(HE = 0.217I = 0.394),较低的群体内遗传多样性(HE = 0.117I = 0.176),因此群体间遗传分化较大(FST = 0.344)。基于Bayesian模型的BAPS聚类分析表明:cpDNA北部谱系单独聚为1个群簇,而cpDNA南部谱系则由9个群簇组成。PCoAprincipal coordinate analysis)分析、NJneighbour-joining)树的结果与BAPS总体一致,但在南部cpDNA谱系,PCoA分析和NJ树都支持分成西南地理组和中部-东南部地理组。尽管,cpDNA南部与北部谱系具有相似的遗传多样性水平(南部:HE = 0.212I = 0.323;北部:HE = 0.203I = 0.338),但cpDNA南部谱系的遗传分化(FST = 0.416)显著大于北部谱系(FST= 0.175)。

5)空间遗传分化的生态与地理因素

采用基因组扫描(genome scanningGS)与多元线性回归方法(multiple linear regressionMLR)检测了AFLPsoutlier位点以及与适应相关的潜在位点,并进一步用单变量回归分析(univariate regressionsUR解析了导致香果树群体局域适应的环境因素。由MchezaBayeScan v. 2.0软件分别测到67个和16AFLPsoutlier位点,有6outlier位点被两个软件同时检测出。通过MLR分析发现,6个位点中的4个位点(L128L144L294L305,占总数的0.88%)受环境因子选择。进一步用UR分析得到平均日较差温度(BIO2Mean Diurnal Range)、季节温度(BIO4TemperatureSeasonality)、最热月最高温(BIO5MaxTemperature of Warmest Month)、年降水(BIO12Annual Precipitation)和季节降水(BIO15Precipitation Seasonality5个环境因子与上述6outlier位点具有最强的相关性。

基于中性的AFLPs数据,运用随机多重矩阵回归分析(MultipleMatrix Regression with RandomizationMMRR)和结构方程建模(Structural Equation ModellingSEM)等景观遗传学统计方法研究了环境阻力、地理隔离及自然选择在空间遗传分化中的作用,结果表明:地理隔离效应(IBD)对香果树空间遗传分化的促进作用(MMRR0.3072SEM0.360± 0.037)大于环境阻力效应(Isolation-by-EnvironmentIBE)(MMRR0.2467SEM0.181 ± 0.151)。通过环境变量贡献分析得到环境阻力中贡献度最大的是季节性温度(BIO4Temperature Seasonality)和温度年较差(BIO7Temperature Annual Range);其次是年均温(BIO1Annual Mean Temperature)、最热月最高温(BIO5Max Temperature of Warmest Month)及最干季平均温(BIO9Max Temperature of Warmest Month);而坡度、土壤类型及年降水量贡献度最小。因此地理隔离、环境阻力及自然选择共同塑造了香果树近代的空间遗传结构。

    综上所述,香果树在种水平具有较高的遗传多样性和明显的谱系地理结构,谱系分化与中新世/上新世的气候波动导致物种的气候避难所隔离有关,当代的群体间地理隔离与环境阻力对群体间的基因流也产生了明显的阻隔效应,同时自然选择导致的局域适应性则进一步加速了群体间分化。本研究所揭示的香果树群体遗传多样性和遗传结构,对香果树群体的保护具有重要的理论指导作用,同时,有助于理解晚第三纪气候变化对东亚温带植物进化历史和分布的影响

 

关键词:香果树,亲缘地理,景观遗传,生态位模拟,生态位分化,地理隔离,环境隔离

Yong-HuaZhang, Ian J. Wang, Hans Peter Comes, Hua Peng, Ying-Xiong Qiu. Contributionsof historical and contemporary geographic and environmental factors tophylogeographic structure in a Tertiary relict species, Emmenopterys henryi (Rubiaceae). Scientific Reports (SCIIF= 5.578). 03 May 2016. DOI:10.1038/srep24041.





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