风毛菊属(菊科)雪兔子亚属的DNA条形码与系统发育研究

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风毛菊属(Saussurea)约490种植物,分为4个亚属,其中雪兔子亚属(Subgen.Eriocoryne)约39种,主要分布在青藏高原及邻近山区。亚属内包含多种“雪球”(Snowball)植物,这些植物为适应高寒环境,通常植株矮小,全株被浓密棉毛(dense woolly trichomes),种间形态差异极不显著,而且种内形态随环境变化明显,因此鉴定难度大。但亚属内有雪兔子(S.gossipiphora)等多个广泛使用的药用物种,以及水母雪兔子(S.medusa)等珍稀药材,因此,有必要开发客观、快速的鉴定方法,并寻找濒危类群的替代品。同时,以往的研究表明,这些“雪球”植物可能不是来自同一祖先,但没有提出新的界定方案。为探讨这些问题,我们对这个亚属的分布区进行了大量野外调查,采集到26个物种74个种群160个个体的样品,对核ITS等7个片段进行了测序,利用其中5个片段分析了亚属内物种的条形码鉴定,利用所有片段对亚属的界定与系统发育等问题进行了研究。主要结果如下:一、DNA条形码。采用Best Close Match(BCM)、Bayesian inference(BI)和Neighbor-joining(NJ)等方法,分析了叶绿体mat K、rbc L、trn K、psb A-trn H及核ITS共5个DNA片段的单独或不同组合的鉴别率,发现:1)在单独分析时,核ITS序列的鉴别率最高,采用BCM方法可以鉴别93.4%的个体,采用NJ与BI法均可以鉴别76.9%的个体,而4个叶绿体片段的鉴定率在15.8%-61.2%之间;2)核ITS与任意一个叶绿体片段的组合可以显著提高鉴别率,其中ITS+trn K的组合最高,采用BCM方法可以鉴别25个种,鉴别率为96.2%;采用BI与NJ方法可以鉴定23个物种,鉴别率为88.5%;3)核ITS与任意两段叶绿体组合可以进一步提高鉴别效率,达到95.4%-99.3%;但更多片段的组合不再提高,甚至略有降低;4)四个叶绿体片段联合分析的鉴别率仅为71.7%;5)综合考虑工作量与鉴定效率,我们推荐ITS+trn K作为雪兔子亚属植物的条形码。此外,根据这些片段的遗传距离与系统发育分析,我们还对一些药用物种的替代品进行了讨论。二、雪兔子亚属的系统发育与物种界定。除上述DNA条形码片段外,我们增加了核ETS及叶绿体trn Q-rps16与rpl32-trn L片段,分别组成核ITS与ETS的联合序列及叶绿体6个片段的联合序列共两组数据,与风毛菊属各个亚属与组的28个代表种一起分析了雪兔子亚属的系统发育关系。结果显示,雪兔子亚属的物种在两组数据的分析结果中,都出现在多个分支上,表明目前界定的亚属是一个多系。其中,雪兔子(S.gossipiphora)等12个种在核基因与叶绿体的分支树上均聚在一支,由于这支包含亚属的模式物种,因此我们建议将这些物种组成的类群定义为新的雪兔子亚属。在其余14个种中,假雪兔子组(sect.Pseudoeriocoryne)的4种植物、大理雪兔子组(sect.Cincta)的湿地雪兔子(S.uliginosa)及真雪兔子组(sect.Eriocoryne)的红叶雪兔子(S.paxiana)等在核与叶绿体序列的系统树上均与新界定的雪兔子亚属不在同一分支上,这几个种也是原雪兔子亚属中仅有的几个没有浓密棉毛的种类,因此它们与新界定的雪兔子亚属可能亲缘关系较远。但三指雪兔子(S.tridactyla)等3个种在叶绿体序列的分支树上位于新界定的雪兔子亚属内,而冰川雪兔子(S.glacialis)等5个种在核基因的分支树上位于新界定的雪兔子亚属内,这些类群是否属于这个亚属有待进一步研究。此外,综合形态与系统发育分析结果,本文还讨论了新界定的亚属的系统划分,并参照“整合物种”概念,对水母雪兔子、鼠曲雪兔子(S.gnaphalodes)、朗县雪兔子(S.pseudosimpsoniana)、左贡雪兔子(S.zogangensis)与黑毛雪兔子(S.inversa)五个种的界定作了分析与讨论。
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