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沙地云杉(Picea mongolica)是我国特有种,仅分布于内蒙古浑善达克沙地东部边缘。它的存在对于内蒙古沙源控制及内蒙古沙源进京具有重要的屏障作用,在改善当地农牧区人民生活环境发挥着巨大的生态、经济和社会效益,同时也是干旱、半干旱区城市园林绿化的主要树种。然而,沙地云杉的分类地位在学术界仍然是争论的焦点,其定名也尚未被多数分类学家认可。因此,本研究以沙地云杉及其近缘种红皮云杉(Picea koraiensis)和白扦(Picea meyeri)共18个天然群体为研究对象,采用生物气候变量、表型性状和SNP位点,对3种云杉种间亲缘关系、遗传多样性、遗传结构、种群动态历史,以及表型多样性、表型分化和生态位分化进行了系统地分析,探讨了沙地云杉的进化历史和分类地位,为沙地云杉种质资源的保护和合理利用提供理论依据。研究结果表明:(1)通过对3种云杉共217个分布记录点的气候变量进行生态位差异的量化分析发现,沙地云杉与红皮云杉、白扦的生态位存在显著差异,最湿季度降雨量(Bio 16)、最暖季度降雨量(Bio 18)、最干季平均气温(Bio 9)和最冷季度平均气温(Bio 11)是造成3种云杉生态位分化的主要因子。生态位模拟表明,3种云杉的潜在分布区在末次盛冰期(LGM)的分布范围相比末次间冰期(LIG)要大,3种云杉在2080s年的潜在分布区相比现在,其最适分布区范围有所减少或不变。(2)对3种云杉共162个针叶横截面的切片进行显微结构观察,发现红皮云杉针叶横截面以2个边生树脂道居多,占所观察切片的62.07%;白扦针叶以1个树脂道居多,占观察切片的60.42%;沙地云杉针叶以无树脂道占优势,占观察切片的92.85%。(3)对3种云杉18个群体共540份材料的16个数量性状进行多元统计分析,结果显示,3种云杉16个性状在群体间和群体内均存在极显著差异(P<0.01),其中沙地云杉变异系数最大(17.90%),红皮云杉次之(14.79%),白扦表型变异最小(13.93%),16个性状中针叶和球果性状的变异系数较大,不同性状中形状指数(各性状的长宽比)的变异系数都大于其单个性状的变异系数。针叶性状和球果性状的多样性信息指数也较大。红皮云杉、白扦和沙地云杉16个数量性状的平均表型分化系数VST分别为32.371%、29.890%、29.809%,群体间的变异小于群体内,以群体内变异为主。(4)16个数量性状与气候和地理因子的相关分析表明:经度、纬度、海拔显著影响针叶、球果和种子性状,温度变量与球果宽、种子长、种翅宽、球果长宽比、种鳞长宽比存在显著(r>0.45)或极显著相关关系(r>0.6),降水与种鳞长、种鳞宽、种翅长和千粒重存在显著相关关系。16个数量性状的相关性分析、主成分分析和聚类分析显示球果长、种鳞长、种子长、针叶长以及千粒重为3种云杉表型分化的重要性状,且发现沙地云杉与白扦的形态特征更相似。(5)基于简化基因组(GBS)测序,3种云杉18个群体共152份材料共获得316.29 Gb Clean data,Q20≥97.24%,Q30 ≥92.61%,平均 GC 含量为 40.77%,测序质量较高,碱基质量分布合格。以欧洲云杉(Picea abies)为参考基因组,进行SNPs Calling,共检测到3,104,341 个 SNPs。(6)基于3,104,341个SNPs位点对3种云杉进行遗传多样性评价,结果表明:沙地云杉遗传多样性水平最高(He=0.1548,Ho=0.1248,Pi=0.1936),红皮云杉遗传多样性水平次之(He=0.1464,Ho=0.1123,Pi=0.1775),白扦遗传多样性水平最低(He=0.1307,Ho=0.1213,Pi=0.1658)。3种云杉群体间的遗传分化系数较小,遗传变异主要来源于群体内,3个物种间的遗传分化也较小,其中沙地云杉与白扦、红皮云杉的遗传分化系数分别为 0.0612 和 0.1360。(7)基于3,104,341个SNPs位点,通过Structrue分析、PCA分析和系统发育树研究3种云杉的种间关系,发现沙地云杉与白扦、红皮云杉能够清晰划分,且沙地云杉与白扦的亲缘关系较近,3种云杉的种群历史动态分析发现在末次间冰期(LIG)和末次盛冰期(LGM)之间3种云杉均经历过1次种群收缩事件,约2.2万年前沙地云杉与白扦的有效群体大小开始出现明显差异,至此以后,差异越来越大。(8)采用CMLM对3种云杉5个重要数量性状与3,104,341个SNPs进行关联分析,最终共找到35个显著关联的SNP位点,与种鳞长显著关联的SNP位点有18个,与球果长关联的位点有8个,与千粒重关联位点为7个,与针叶长和种子长关联的SNP位点分别为2和1个,显著关联的SNP位点在沙地云杉和白扦中的基因型更相似。(9)基于生态位分化、表型分化和遗传分化研究,均可证明沙地云杉可以划分为一个独立的种。PSMC模型和Maxent模型可推断沙地云杉在末次盛冰期(LGM)时有效群体大小增大,与末次间冰期时相比,经历过明显地种群扩张,扩张时间和第四纪末次盛冰期的时间对应,其物种形成与第四纪冰期有极大关系。