物种形成机制是进化生物学中最基本的问题,也一直是科学家们最关心的热点。传统的物种形成学说认为生殖隔离是形成新物种的必备条件,然而越来越多的证据表明近缘种间可能会存在广泛的共享DNA多态性。造成这种现象的原因主要有两种：(1)近缘种对祖先基因型的保留,即物种形成事件时谱系筛的选不完全；(2)物种分化之后由于第二次接触,物种间产生了频繁的基因交换,即种间渐渗。这两种机制可以用分子标记以及模拟物种形成历史而加以区别。若物种间分布共享基因型是随机分布,则是祖先多态性的保留；反之,若共享基因型与物种分布地域密切相关,且主要发生在同域或邻域分布的地区,那么,通过渐渗产生的可能性较大。物种渐渗在自然界广泛存在,有人把渐渗比喻为物种演化的“分子筛”,通过与亲本回交,有利基因会保留下来而有害或无用基因则被剔除,例如人类自古以来就有通过与亲本的回交改良农作物和家畜品种的传统。最近,对渐渗研究的一大突破是通过计算机模拟提出了一个渐渗方向的中性模型：当入侵种与本地种接触时往往会发生渐渗,而且渐渗方向为从本地种向入侵种,且往往倾向于基因流速度较慢的基因。但是迄今为止,对中性还没有基因流速度和渐渗方向的研究实例。松科植物的一大特点是在物种形成历史过程中经历了广泛的杂交与渐渗。另外,松科植物的两种质体基因具有不同的遗传方式：线粒体基因为母系遗传,通过种子传播,仅有有限的基因流；而叶绿体基因为父系遗传,通过花粉和种子传播,具有广泛的基因流。因此,均为单亲遗传的线粒体和叶绿体基因为检测基因流速度与物种界定之间的关系提供了理想模型。本文利用两种线粒体基因片段内含子区(nad1 intron b/c; nad5 intron1)和三种叶绿体基因片段内含子区(ndhK-C; trnL-trnF; trnS-trnG)研究了云杉组(Picea asperata complex)和丽江云杉组(P. likiangensis complex)共九个种的谱系地理。将基因流速度和大小与种间遗传物质的交换联系起来,为物种形成机制和物种鉴定提供新的思路。简要结论如下：(1)云杉组共包括七个种,其中三个种为我国特有。本论文对其中五个种(两个特有种)46个居群459个个体进行谱系地理研究,共检测到九种线粒体单倍型和九种叶绿体单倍型。与其它松科植物类似,线粒体基因遗传变异很小而遗传分化很高(GST=0.90),叶绿体基因遗传变异较大但遗传分化值很小(GST=0.56)。另外,叶绿体DNA的物种鉴别能力比线粒体DNA更强：叶绿体的多样性分布可将这五个种分为四组,且每一组都对应一个或两个相应的种,而线粒体DNA多样性的分布则仅与地理分布相关。对已有文献的检索也表明线粒体DNA更容易在种间共享而叶绿体DNA则能用于更好的鉴别物种。因此,我们推断较大的种内基因流可能更容易减少种内的遗传分化,但不能减少种间遗传分化,因此具有较快基因流速度的分子标记可能更适合鉴定物种。(2)丽江云杉组共包括八个种,其中四种为我国特有。该组主要分布在历经过频繁的地质历史事件和高海拔的青藏高原及其邻近地区。最近的核基因结果表明至少一个种,即紫果云杉曾经历过种群扩张。另外,我们通过测量紫果云杉和与其同域或邻域分布的丽江云杉与青扦的种子重量发现紫果云杉的种子重量比青扦和丽江云杉都小,仅是丽江云杉的二分之一。一般来说,小种子更易于产生扩张,因此,无论从遗传或种子大小角度都表明紫果云杉更易于扩张。进而,对该种和其相关近缘种细胞器DNA片段的地理分布式样的研究可以回答物种渐渗的方向问题。通过对丽江云杉的四个种(包括三个特有种),75个居群的751个个体的谱系地理研究,共检测到13种线粒体DNA单倍型和八种叶绿体DNA单倍型。线粒体DNA与叶绿体DNA片段的遗传分化值都很高而且接近,其中,叶绿体的遗传分化值(GST=0.73)几乎是现有松科植物中最高的。这可能与高海拔地区高山与峡谷对花粉和种子的基因流限制有关。母系遗传的线粒体DNA标记单倍型分布与预期一致,即发生了从本地种向入侵种(丽江云杉向紫果云杉)的渐渗,且渐渗快速发生在两个种的边界；而父系遗传的叶绿体标记所产生的渐渗却是双向的,且发生渐渗的区域更为局限。这一结果表明了在研究种间渐渗时一定要考虑种内基因流,并为物种形成和物种鉴定提供了指导。(3)另外,通过对云杉种子质量的研究发现云杉属植物种子重量随着海拔的升高而减小。由此我们推测随着海拔升高,尽管花粉基因流受到阻碍(遗传分化值变大),但是种子基因流则更为频繁(遗传分化值变小)。云杉种子的传播不仅与种子大小有关还与其翼果翅膀大小(种翅承载力)相关。但是对种子承载力的研究发现云杉种子传播力先增大(从海拔1000 m-3100 m),再减小(从海拔3200 m-4600 m)。这可能反映了云杉属种子对高原生境的逐渐适应过程：当海拔升高时,种子传播力先增大以适应高原峡谷从而获得更多的分布地；而当海拔极高(大于3200 m)时,地形已经变得较为宽阔,风力更大,物种种子不需要更多的投入就可以达到传播的目的,从而进化出更小的种翅。造成种翅减小的另一个可能原因是山地岛屿物种为避免掉入干旱峡谷或被吹至更高海拔山峰进化出十分有限的种子传播力。对上述第二种解释的最早报道来自达尔文,他观测到在岛屿上,某些昆虫和鸟类的翅膀退化以避免被大风吹入大海。通过对现有报到的松科植物线粒体DNA与叶绿体DNA遗传分化值与海拔关系的研究表明叶绿体遗传分化值与预期非常吻合,即随着海拔升高而增大,但是线粒体DNA遗传分化值变化与海拔梯度无显著关系,且总是保留较高水平。可见,尽管物种为了适应高海拔严酷的环境进化出较小的种子,但是高山和峡谷对种子的基因流还是有很大的阻碍,种子传播力并不简单的随种子大小而改变。本博士论文分为三章。第一章简述了物种的渐渗,包括检测渐渗的方法和最近该领域的一些前沿进展。由于本论文研究的大部分种都位于青藏高原因此第一章第二部分综述了青藏高原地区已有的植物谱系地理研究并简要介绍了云杉的地理分布和目前的一些研究进展。论文第二章比较了两种具不同基因流速度的分子标记对云杉组五个种及其它松科植物的物种鉴定能力。结果表明：无论物种过去的动态历史是怎样的,基因流较快的分子标记总是更易于界定物种,而基因流较慢的分子标记可能更适于研究物种的动态历史,如不完全的谱系筛选或渐渗等。论文第三章对一组位于青藏高原及其邻近地区且过去动态历史较为清楚的物种进行了谱系地理研究。这些种中至少有一个种经历过种群扩张,因此我们试图通过利用不同速率基因流的分子标记阐述渐渗的方向。结果表明，利用较慢基因流的分子标记可检测出显著的渐渗且渐渗发生的方向是单向的,从本地种向入侵种,而反之,基因流速度较快的分子标记仅能检测出较为有限的渐渗且渐渗方向是双向的。第三章的最后一部分,通过比较云杉属物种种子量和种子承载力阐述了云杉属植物种子的大小和传播力对艰难环境(高海拔)的权衡。结合对所有松科植物cpDNA, mtDNA GST随海拔梯度的变化我们认为高山极为严酷和片段化的环境对花粉和种子的基因流产生明显的限制。最后通过已有的结果和文献研究对论文加以总结,并对今后云杉属的研究提出展望。