川滇蔷薇的遗传分化及地理分布格局形成研究

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东喜马拉雅-横断山地区自晚第三纪以来经历的青藏高原隆升和更新世气候变化,深刻地影响了当地物种的空间分布及其遗传多样性。横断山地区因快速的物种形成和复杂的生境条件而拥有丰富的蔷薇属植物。川滇蔷薇(Rosa soulieanaCrép.)是蔷薇属(Rosa L.)合柱组(Sect.Synstylae)植物,是横断山地区干暖河谷的区系成分之一,是对干旱和贫瘠环境高度忍耐的芳香型蔷薇野生资源,可直接用于干旱河谷的生态系统恢复重建和现代月季品种的遗传改良。为了回答:川滇蔷薇遗传多样性大小、遗传结构及其地理分布格局如何、横断山地区复杂的地质气候历史和生境条件如何影响其遗传分化等问题,本研究对川滇蔷薇进行了野外调查、标本采集及表型测量分析,开展了初步的繁殖生物学试验,利用cpDNA序列对其进行了谱系地理研究,利用AFLP分子标记进行了遗传多样性和遗传结构等研究。主要结果如下:  1.川滇蔷薇的种下系统和表型多样性  从来自横断山地区的川滇蔷薇居群和来自安徽的“川滇蔷薇”记录居群中各随机选择1个个体,利用2个单拷贝核基因(GAPDH和ncpGS)进行居群聚类分析;同时利用43个形态特征对包括安徽居群在内的31个标本信息较完整的居群的所有个体进行形态测量和聚类分析,并研究川滇蔷薇的表型多样性和变异特征。结果表明:1)川滇蔷薇是横断山地区的特有种,安徽没有川滇蔷薇分布。2)分子和形态聚类中川滇蔷薇的居群并没有严格地按照地理距离或4个变种的种下分类系统进行聚类,说明川滇蔷薇的变种不是独立的演化单元,而是对横断山地区复杂多变的生境条件的表型可塑性反应。3)27个直接数量性状在居群间的差异均达到极显著水平(Fα<F0.01),平均表型分化系数Vst%为66.36%,说明居群间的变异是川滇蔷薇表型变异的主要来源。  2.川滇蔷薇的繁殖生物学特征  在云南省迪庆州香格里拉县川滇蔷薇的典型居群中进行花形态特征观测、访花昆虫观察及人工控制性授粉试验,以初步了解川滇蔷薇的繁殖特征。结果表明:  1)川滇蔷薇小花的寿命为3-4天,开放当天午后即停止散粉;柱头在开后第2天和第3天具可授性;P/O比为11120.5。2)川滇蔷薇是虫媒植物,访花昆虫主要是蜜蜂、熊蜂和蝴蝶。3)川滇蔷薇不能进行无融合生殖、自动自花传粉和风媒传粉;同株异花自交有1株未结实,结实植株的平均坐果率为41.25%;异株异花人工授粉的植株全部结实,平均坐果率为65%;表明川滇蔷薇大部分植株既可进行异交,也可进行同株异花自交。4)同株异花授粉的单果平均产生种子(瘦果)6.7粒,异株异花授粉的单果平均产生种子20.1粒,同株异花自交显著降低了川滇蔷薇的单果种子数。由于川滇蔷薇种子萌发较容易,自交结籽率低可以最大限度地减少天然居群中因自交而产生的适合度低的后代个体,避免近交衰退。  3.川滇蔷薇基于叶绿体DNA的谱系地理研究  利用2个叶绿体基因间隔区(LS spacer和TC spacer)对川滇蔷薇居群进行谱系地理研究。结果表明:1)39个居群650个个体中共检测到9个叶绿体单倍型。其中H2为优势单倍型,36个居群中都有H2,且其中23个居群仅有该单倍型。2)川滇蔷薇基于叶绿体基因的遗传多样性较低,居群间的遗传分化较高,但缺乏谱系地理结构。其总叶绿体基因遗传多样性(hT)为0.316、居群内的遗传多样性(hs)为0.111、总的单倍型多样性(Hd)为0.341、核酸多样性(π)为0.47×10-1,遗传变异的65%来自于居群间。无序等位基因遗传分化系数(Gst)为0.650,有序等位基因的遗传分化系数(Nst)为0.657,基因流(Nm)为0.1346。3)多年生灌木,虫媒、种子传播以重力为主的繁殖方式,较短的物种形成历史和分化时间等是川滇蔷薇的叶绿体基因多样性较低但遗传分化却较高的原因。4)滇西北、雅砻江上游和西藏东南部的居群拥有了大部分单倍型多样性,但形成这种多样性格局的地质历史事件却不相同。滇西北和雅砻江河谷是川滇蔷薇在第四纪气候振荡中的避难所和适应性分化的地方,而西藏东南则是冰期后或间冰期东西和南北方的单倍型累积和二次接触的“熔合melting pot”之处。  4.川滇蔷薇基于AFLP的遗传多样性和居群遗传结构  选取4对荧光AFLP引物组合对川滇蔷薇进行了分子遗传多样性和居群遗传结构研究。结果表明:1)川滇蔷薇基于AFLP的遗传多样性和遗传分化都较高:4对引物产生了417个位点,其中408个为多态性位点。多态位点百分率(PPB)、总的遗传多样性(Ht)、Shannon指数(I)和居群内的多样性(Hs)分别为97.84%,0.253,0.339,0.139,其中54%的总遗传变异来源于居群内,遗传分化系数(Gst)为0.451,Mantel test表明居群之间的遗传距离和地理距离之间存在显著正相关。2)居群之间的邻接树和群体指派分析结果基本一致,都将川滇蔷薇的居群分成3大支,也就是3个基因库。3)雅砻江流域是这3个基因库的唯一共存地。第三种基因库在第四纪气候振荡中以雅砻江为通道进行了南北迁移,从南部的冰期避难所传播到了横断山北部并分别向东和向西传播。第一和第二种基因库是川滇蔷薇分别长期适应雅砻江东西两岸不同的气候条件而异域分化的结果。雅砻江是川滇蔷薇种内遗传分化的界线。  上述研究结果为研究横断山地区蔷薇属植物的分化和物种形成机理提供了基础数据,有利于进一步研究横断山地区复杂的地质气候历史、生境及气候条件对物种的遗传多样性和遗传结构及地理分布的影响,也为进一步保护和利用川滇蔷薇奠定了繁殖生物学和遗传背景基础。
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