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洲际间断分布的菝葜科基部类群穗菝葜的亲缘地理学研究

作　者: 陈晨
导　师: 傅承新
学　校: 浙江大学
专　业: 植物学
关键词: 洲际间断分布穗菝葜地理隔离长距离传播亲缘地理学叶绿体片段核基因片段
分类号: Q948
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

穗菝葜(Smilax aspera L.)为旱生的硬叶常绿阔叶林成分之一,该成分主要起源于古特提斯海喜暖湿的常绿阔叶林。S. aspera主要分布于环地中海地区,但在东非、南亚、喜马拉雅地区直至中国云南西部都有分布。基于多基因片段对菝葜科的系统发育关系研究表明,S. aspera位于菝葜科欧亚类群的基部,是分化时间较早(晚始新世)的类群。古植被、古气候、古地理的研究表明：第三纪早期古地中海地区曾广布喜暖湿的常绿阔叶林,但自中新世(Miocene)中期,由于板块地质构造的改变以及气候的寒化和旱化,该森林植被发生了大规模的灭绝或分化。然而,对晚第三纪(late Neogene)以来古特提斯植物区系的残遗类群在南亚、地中海以及非洲随环境变化而发生的分布范围变迁以及分化过程仍不清楚。本研究以硬叶常绿阔叶林的主要藤本类群穗菝葜(S. aspera)为研究对象,通过对该种所有分布区的38个群体以及57个标本进行取样,利用分子谱系地理、生物地理、隔离分化理论和方法研究该物种谱系分化与种群动态历史,阐明古特提斯植物区系的常绿阔叶林植被如何响应自晚第三纪以来环境变化,探讨菝葜科基部类群起源、演化及迁移,为菝葜科的系统发育研究奠定基础。本研究分别采用cpDNA (matK、atpB-rbcL和trnC-ycf6)、核糖体ITS片段和单拷贝核基因片段Agtl三种不同水平的分子标记片段进行系统发育学和亲缘地理学研究,并结合形态学数据分析得到如下主要结果：1)穗菝葜(Smilax aspera)遗传多样性和谱系地理结构多片段联合分析和叶绿体基因间隔区片段系统发育分析的结果表明,穗菝葜(S. aspera)是一个单系类群,可以分为两大地理谱系：环地中海谱系和东非-南亚(喜马拉雅)谱系。基于多片段联合系统发育树和ITS系统发育树均表明,东非-南亚(喜马拉雅)谱系可以进一步分为东非次级谱系和南亚(喜马拉雅)次级谱系。叶绿体AMOVA的分层次分析揭示出S. aspera变异主要存在于谱系间(66.48%)。在种水平上S. aspera具有较高的叶绿体遗传多态性(hT=0.906；πT×10-3=4.91),而群体水平平均多态性非常低(hs=0.152；πS×10-3=0.33)。同时,种水平的NST(0.911)‘显著大于GST (0.822)(U=7.6, P<0.01),表明了该物种具有明显的谱系地理结构。东非地区单倍型多态性(h=0.735；π×10-3=2.16)稍高于南亚地区(h=0.676；π×10-3=1.00),结合东非-南亚(喜马拉雅)区系NST(0.947)显著大于GST (0.890)(U=2.94, P<0.01),表明了该地区具有明显的谱系地理结构。2)欧亚非分布的穗菝葜(Smilax aspera)间断分布模式的形成原因基于叶绿体片段化石校正的BEAST分歧时间分析显示：环地中海谱系和东非-南亚(喜马拉雅)谱系在中新世中期(13.13Ma)开始分化。东非-南亚(喜马拉雅)谱系内部两个次级谱系的分化发生在中新世后期(cpDNA:6.11Ma),其中,南亚(喜马拉雅)次级谱系在中新世后期至上新世开始分化(Agt1:4.11Ma;联合片段：2.56Ma; ITS:7.76Ma)。叶绿体祖先分布区重建表明,东非-南亚(喜马拉雅)谱系的祖先分布区在东非,由于地理隔离事件(Vicariance)导致S. aspera在环地中海与东非-南亚(喜马拉雅)地区间断分布式样的形成。结合Agt1揭示的南亚(喜马拉雅)次级谱系分化较迟,推测南亚(喜马拉雅)群体起源于东非。中新世中期,全球气候开始变冷导致亚热带常绿林的退缩,S. aspera随着亚热带常绿林的退缩,分布范围也发生改变,形成环地中海地区和东非-南亚(喜马拉雅)地区间断分布的模式。同一时期形成的连接非洲与西亚的“啮齿象陆桥”,为S. aspera随着热带常绿林的扩张在东非与亚洲之间的迁移提供了可能。晚中新世到上新世期间,全球气温寒化和旱化导致东非-南亚(喜马拉雅)之间的地理隔离,最终形成东非-南亚(喜马拉雅)的二次间断分布。南亚次级谱系快速分化的产生很可能与上新世喜马拉雅的隆起造成的地质环境变化有关。3)穗菝葜(Smilax aspera)环地中海谱系分化及群体历史动态联合片段的系统发育和叶绿体群体遗传结构分析表明, S. aspera地中海西部与东部群体之间存在较大的遗传分化,东西部群体可进一步划分为四个次级谱系：位于西部的伊比利亚次级谱系和亚平宁次级谱系以及位于东部的巴尔干次级谱系和小亚细亚次级谱系。叶绿体和核基因的单倍型分析均显示环地中海地区南北岸之间没有显著的遗传分化,表明直布罗陀海峡对S. aspera没有地理隔离效应。叶绿体BEAST分析显示环地中海谱系在中新世(8.45Ma)开始分化。叶绿体祖先分布区重建结果显示地中海西部是最可能的S. aspera地中海地区起源地。地中海东西部群体之间的遗传分化发生在中新世后期,推测该时期发生的墨西拿高盐事件引起的气候干旱和地质改变导致了S. aspera地中海地区东西部群体的地理隔离和遗传分化。上新世至更新世冰期和间冰期的周期性作用导致S. aspera反复发生片段化和扩张事件,最终形成地中海地区四个次级地理谱系。环地中海南北之间没有谱系分化,其原因在于穗菝葜果实为鸟类传播,迁徙鸟类在地中海南北岸之间的季节性迁移为S. aspera在地中海大陆和岛屿之间的长距离传播提供了可能性。4)穗菝葜(Smilax aspera)的分类学意义野外群体生境的调查发现,环地中海谱系和东非-南亚(喜马拉雅)谱系的生境已经完全不同。说明S. aspera的两大谱系间生境的不同导致其在分子水平显著的谱系分化。本研究对S. aspera的形态性状分支分类分析表明两大谱系之间已经存在一定程度的分化。结合分子与形态证据,建议将这两个地理谱系划分为两个亚种。

全文目录

摘要  9-12
Abstract  12-19
第一章前言  19-43
  1.1 穗菝葜的概况及研究现状  19-26
    1.1.1 穗菝葜生物学特征和分类历史  19-20
    1.1.2 穗菝葜分布区的地理气候特征和植被类型  20-22
    1.1.3 穗菝葜的研究进展  22-26
  1.2 古地中海植物区系生物地理学相关研究进展及存在问题  26-33
    1.2.1 生物地理学分布格局形成学说  26-27
    1.2.2 地中海形成的地史过程  27-28
    1.2.3 新生代地中海地质气候的变化及其对植物区系的影响  28-29
    1.2.4 古地中海植物区系在青藏高原隆起后的演变和发展  29-30
    1.2.5 古地中海起源的植被类群生物地理学研究  30-33
    1.2.6 存在问题  33
  1.3 亲缘地理学研究的意义与方法  33-41
    1.3.1 亲缘地理学简介  33-34
    1.3.2 亲缘地理学相关理论  34-37
    1.3.3 亲缘地理学研究中应用的分子标记  37-41
  1.4 本研究的目的和意义  41-43
第二章野外取样及群落调查  43-57
  2.1 穗菝葜的地理分布  43
  2.2 穗菝葜的野外取样与群落调查  43-49
    2.2.1 野外调查与取样  43-44
    2.2.2 标本样品取样  44-49
  2.3 不同地区穗菝葜生境特点  49-57
    2.3.1 环地中海地区  49-52
    2.3.2 东非地区  52-53
    2.3.3 南亚(喜马拉雅)地区  53-57
第三章基于核DNA和叶绿体DNA联合片段的系统发育研究  57-75
  3.1 材料与方法  58-69
    3.1.1 材料  58-60
    3.1.2 主要试剂、仪器及其来源  60-61
    3.1.3 实验方法  61-64
    3.1.4 数据分析  64-69
  3.2 结果分析  69-71
    3.2.1 联合片段一致性检测  69-70
    3.2.2 联合序列系统树分析  70
    3.2.3 基于联合片段的分歧时间分析  70-71
  3.3 讨论  71-75
第四章基于cpDNA序列的亲缘地理学研究  75-103
  4.1 材料与方法  75-82
    4.1.1 材料  75
    4.1.2 主要试剂、仪器及其来源  75-76
    4.1.3 实验方法  76-77
    4.1.4 群体遗传与谱系地理结构分析  77-79
    4.1.5 历史生物地理学分析  79-82
  4.2 结果分析  82-97
    4.2.1 叶绿体基因间隔区的序列变异和单倍型分布  82-83
    4.2.2 叶绿体基因间隔区单倍型系统发育关系  83-84
    4.2.3 群体内遗传多样性和遗传结构分析  84-90
    4.2.4 群体动态历史分析  90-93
    4.2.5 穗菝葜分化时间的计算和生物地理学分析  93-97
  4.3 讨论  97-103
    4.3.1 遗传多样性和遗传结构  97-100
    4.3.2 谱系地理结构与谱系分化时间  100-101
    4.3.3 群体动态历史  101
    4.3.4 穗菝莫祖先分布区重建  101-103
第五章基于核基因ITS和Agt1序列的亲缘地理学研究  103-123
  5.1 材料与方法  103-111
    5.1.1 材料  103-104
    5.1.2 主要试剂、仪器及其来源  104
    5.1.3 主要仪器  104
    5.1.4 方法  104-109
    5.1.5 数据分析  109-111
  5.2 结果分析  111-118
    5.2.1 ITS序列分析  111
    5.2.2 Agt1序列分析及中性检验  111
    5.2.3 基于ITS单倍型系统发育关系  111-118
  5.3 讨论  118-123
第六章基于形态证据的系统发育分析  123-137
  6.1 材料与方法  124-126
    6.1.1 材料的来源  124
    6.1.2 形态性状的选择  124-125
    6.1.3 性状极性分析及编码  125
    6.1.4 数据分析  125-126
  6.2 结果分析  126-130
    6.2.1 不同地区的穗菝莫形态多样性分析  126-127
    6.2.2 穗菝葜基于形态学证据的系统发育学分析  127-130
  6.3 讨论  130-137
第七章讨论  137-148
  7.1 穗菝葜的第三纪谱系分化和间断分布模式的形成  138-140
  7.2 东非-南亚(喜马拉雅)谱系的迁移和地理隔离机制  140-143
  7.3 地中海谱系的起源与与群体动态历史  143-146
  7.4 不同基因片段的谱系分选比较  146-148
第八章总结与展望  148-151
  8.1 结论  148-149
  8.2 展望  149-151
参考文献  151-170
附录  170-180
博士期间发表论文及出国研修情况  180-181
致谢  181-182

洲际间断分布的菝葜科基部类群穗菝葜的亲缘地理学研究

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