亚洲中部干旱区敏麻蜥的系统分类和谱系地理学研究

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本研究通过联合形态、分子和环境数据、采用线粒体基因和多个核基因标记、并且引入物种分布模型,对敏麻蜥进行系统分类和谱系地理学研究,旨在探究亚洲中部干旱区的形成和演化与气候变化对敏麻蜥谱系地理格局形成的影响、揭示敏麻蜥各支系间的分歧时间及起源与演化、解析冰期-间冰期旋回对敏麻蜥种群历史动态的影响、以及解决一些种下分类问题。主要研究结果如下:  1.新疆博乐和伊犁河谷敏麻蜥的种下分类地位探讨  采用形态比较和基于线粒体细胞色素b(Cyt b)基因序列的分子系统发育分析,对新疆博乐和伊犁河谷的敏麻蜥4个种群、28号样本进行种下分类地位探讨。联合GenBank中的敏麻蜥Cyt b基因序列,采用最大简约法、最大似然法和贝叶斯推断法构建系统发育树进行亚种界定。采用贝叶斯因子检验,通过比较限制性和非限制性贝叶斯树的拓扑结构来检验有关敏麻蜥亚种分类的几种相互竞争的假设。结果表明,博乐种群的形态特征与伊犁河谷的敏麻蜥一致,雄性的背侧在繁殖季节有醒目的蓝色或绿色眼点。系统发育树也一致表明来自博乐的单倍型属于伊犁河谷支系,为一个尚未描述的分类群(Eremias arguta ssp.)。以往有关伊犁河谷种群属于指名亚种(E.a.arguta)或东方亚种(E.a.potanini)或乌兹别克斯坦亚种(E.a.uzbekistanica)的观点均被显著拒绝。伊犁河谷支系最有可能与乌兹别克斯坦亚种和伊塞克湖亚种(E.a.darevskii)二者构成的支系形成姐妹群,但并没有强的证据拒绝备择假说即伊犁河谷支系位于系统发育树的基础位置与其余支系形成姐妹群。此外,重建的系统发育树中指名亚种与东方亚种形成了交互单系,尽管自展支持率很低且后验概率不高;其备择假设即“东方亚种”嵌在指名亚种支系中,也没有很强的证据而拒绝。总之,博乐的敏麻蜥种群不属于东方亚种,而隶属于一个单独的伊犁河谷支系(E.arguta ssp.);伊犁河谷的敏麻蜥种群不应该划分为指名亚种、东方亚种或乌兹别克斯坦亚种,而是属于尚未描述的新亚种;伊犁河谷这一支系的系统发育位置还不明确,需要采用整合分类学的方法来澄清。  2.基于线粒体Cyt b基因的敏麻蜥遗传结构和群体动态研究  通过PCR扩增测定了敏麻蜥81个样点,共349号个体的线粒体Cyt b基因序列(1143bp),联合GenBank中Cyt b基因序列共61条,一起用于分子系统发育分析。所有的线粒体Cyt b分子数据共识别出183个单倍型,基于单倍型构建的MP、BI和ML系统发育树拓扑结构基本一致,特别是ML树和BI树拓扑结构几乎完全一致。三种方法所得到的进化树均支持敏麻蜥形成一个单系(MP/ML/BI:100%/100%/1.0),并识别出8个明显的分支(CladeⅠ-Ⅷ),也与亚洲中部干旱区八个不同的地理亚单元相对应。8个支系中,其中6个分别与传统上基于形态划分的亚种相对应:敏麻蜥东方亚种(E.a.potanini)、指名亚种(E.a.arguta)、外高加索亚种(E.a.transcaucasica)、西方亚种(E.a.deserti)、乌兹别克斯坦亚种(E.a.uzbekistanica)、伊塞克湖亚种(E.a.darevskii),另外两个支系分别为采自中国和哈萨克斯坦伊犁河谷地区的伊犁河谷支系(E.arguta ssp.1)和采自哈萨克斯坦卡拉套山地区的卡拉套山支系(E.arguta ssp.2)。总体而言,基于分子系统发育研究的结果与传统的形态学分类部分一致,其一定程度上支持了东方亚种的有效性,又发现了新的隐存支系,即除了伊犁河谷支系,新发现了卡拉套山支系。这种谱系地理格局也得到了遗传距离分析、系统发育网络图分析、分子变异分析(AMOVA)和单倍型网络图分析(Network)的支持。推测,敏麻蜥分布范围广泛,不同地理种群的变异很大,更多的隐存支系有待识别。鉴于这两个支系在形态和分子方面与其他亚种均具有明显的区别,建议分别将其提升为新的亚种。  采用贝叶斯松散分子钟模型,通过外群标定估算出的蜥蜴科时间树结果表明敏麻蜥的最近共祖时间约为4.53Ma(95%CI:3.06-5.89Ma)。对敏麻蜥内群各个支系的分化时间进行估算,结果表明,伊塞克湖亚种(CladeⅥ)和乌兹别克斯坦亚种(CladeⅤ)的共祖时间约为3.55Ma(95%CI:2.12-4.90Ma);伊犁河谷支系(CladeⅦ)与东方亚种、指名亚种、卡拉套山支系、外高加索亚种和西方亚种所构成的大支(CladeⅠ-Ⅳ、Ⅷ)共祖时间约为3.69Ma(95%CI:2.38-5.17Ma);西方亚种(CladeⅣ)与东方亚种、指名亚种、卡拉套山支系和外高加索亚种所构成的大支(CladeⅠ-Ⅲ、Ⅷ)共祖时间约为2.57Ma(95%CI:1.52-3.64Ma);外高加索亚种(CladeⅢ)与东方亚种、指名亚种、卡拉套山支系(CladeⅠ-Ⅱ、Ⅷ)共祖时间约为1.85Ma(95%CI:1.09-2.82Ma);卡拉套山支系(CladeⅧ)与东方亚种、指名亚种(CladeⅠ-Ⅱ)共祖时间约为1.46Ma(95%CI:0.83-2.14Ma);东方亚种(CladeⅠ)和指名亚种(CladeⅡ)共祖时间约为0.58Ma(95%CI:0.36-0.86Ma)。其中外高加索亚种的分化与高加索山脉的隆升时间节点(1.2-2.5Ma)一致,敏麻蜥内部其他各支系的分化时间,与亚洲中部干旱区在上新世以来干旱化趋势加强时间节点(2-4Ma)相一致。  对敏麻蜥东方亚种(CladeⅠ)、指名亚种(CladeⅡ)、西方亚种(CladeⅣ)和伊犁河谷支系(CladeⅦ)四个支系分别进行种群历史动态分析。中性检验(Tajimas D与Fus Fs)和错配分布分析(mismatch distribution)支持东方亚种在历史上种群经历了扩张;指名亚种、西方亚种在历史上种群可能保持稳定;伊犁河谷支系历史上经历了种群扩张。贝叶斯天际线结果表明东方亚种在LGM时期有效种群大小出现了轻微的下降,而约5ka以来,有效种群大小出现了快速增长;指名亚种在LGM时期有效种群大小出现了轻微增长,而约12ka以来,有效种群大小出现了快速下降;西方亚种在LGM时期有效种群大小出现了轻微增长,而约11ka以来,有效种群大小出现了一定的下降;伊犁河谷支系在LGM时期有效种群大小基本处于恒定状态,而约11ka以来,有效种群大小出现了快速增长。  针对敏麻蜥伊犁河谷支系,对未来2050s(2041-2060年)和2070s(2061-2080年)两个时间段四种不同气候排放情景下的分布区进行模拟,均显示敏麻蜥伊犁河谷支系在伊犁河谷中部的生境在逐步丧失,伊犁河谷支系未来的分布区在向伊犁河谷两侧的高海拔地区扩张。推测,这可能是与伊犁河谷独特的地理环境有关。随着全球气候变暖,导致伊犁河谷两侧的雪山冰雪融化,雪线上升,而敏麻蜥的分布可以达到海拔1800m左右,雪线上升暴露出的地区很适合敏麻蜥生存;同时,因为冰雪融化,导致大量雪水流入伊犁河谷,使得伊犁河两岸变得更加湿润,而敏麻蜥更喜好干旱环境,这也迫使其向伊犁河谷两侧更高海拔的地区迁移。气候变化和地理环境因素的综合作用,最终才导致敏麻蜥伊犁河谷支系未来的分布区在向河谷两侧高海拔地区扩张。  3.基于核基因的谱系地理结构初步分析  通过PCR扩增和测定了敏麻蜥81个样点,共349号个体的八个核基因PRLR(prolactin receptor)、KIF24(kinesin family member24)、CGNL1(cingulin-like1)、β-fibint7、EXPH5(exophilin5)、MKL1(megakaryoblastic leukemia l)、MAP1A(microtubule-associated protein1A)、UBN1(ubinuclein1)片段,共筛选扩增出了321号个体KIF24(561bp),336号个体CGNL1(903bp),307号个体β-fibint7(675bp),315号个体EXPH5(984bp),307号个体MKL1(1050bp),325号个体PRLR(546bp),320号个体UBN1(741bp),313号个体MAP1a(1803bp),八个核基因每个支系都扩增出了相应的代表。基于单个核基因分别构建BI和ML树,结果并没有显示出与线粒体基因相同的支系结构,来自不同地理亚单元的个体没有各自聚成单系,相互之间仍存在共享单倍型。联合八个核基因进行系统发育树重建,结果也未能得到与线粒体基因相同的支系结构,来自不同地理亚单元的个体各自聚成多个小的分支,但是相互之间没有共享单倍型。每个核基因分别构建单倍型网络图,来自各个支系的个体虽然没有形成一个单独的簇,但是大多数还是按照地理单元聚在一起。对每个核基因分别进行邻近法检验(Snn test),结果发现核基因数据支持线粒体基因构建的支系结构,并且不同的核基因片段,对于遗传结构的解析程度存在差异。核基因与线粒体基因分析结果的不完全一致,认为可能与核基因较为保守,进化速率慢,在各个支系间分化时间短的情况下,与线粒体基因相比,替代速率较小,而有效种群更大,容易引起不完全谱系分选有关。下一步的研究需要继续深入探究,区分不完全谱系分选、二次接触或偏雄扩散导致的遗传混合,这三种都可以产生相似的遗传变异格局。
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