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白菊木(Leucomeris decora Kurz)和栌菊木(Nouelia insing Franch.)同属菊科(Asteraceae)帚菊木族(Mutisieae)植物类群,都为我国珍稀濒危植物。本研究基于叶绿体DNA(cpDNA)非编码区序列以及核基因(nDNA)序列的变异,对白菊木和栌菊木的遗传多样性、遗传结构和系统发育进行了研究,并探讨了其相应的保护策略。主要的研究结果如下:
1.白菊木的保护遗传学研究筛选了三个cpDNA基因非编码区片段(rpl16,rpl32-trnL和trnQ-rps16)以及核基因片段(GAPDH和GBSSI)对白菊木11个居群(共99个个体)进行序列变异分析。从三个cpDNA联合序列共计2745bp分析中共检测出2种单倍型,从核基因GAPDH序列中检测到12种单倍型,核基因GBSSI序列中检测到10种单倍型。cpDNA以及核基因遗传特征上的分析结果表明:在物种水平上,白菊木的cpDNA显示出较低的遗传多样性(cpDNA:π=0.00102,Hd=0.468,HT=0.480),而核基因显示出的遗传多样性则相对较高(GAPDH:π=0.00237,Hd=0.773,HT=0.807;GBSSI:π=0.00167,Hd=0.751,HT=0.790),这暗示白菊木居群遗传多态性的随机丢失可能发生在最近的时间里:白菊木居群之间存在显著的遗传分化(cpDNA:GST=0.899,FST=0.893:GAPDH:GST=0.309,FST=0.432;GBSSI:GST=0.274,FST=0.263)。白菊木居群间遗传距离和地理距离有显著的相关性(cpDNA:r=0.4,P<0.05;GAPDH:r=0.549,P<0.05;GBSSI:r=0.404,P<0.001),表明地理隔离对居群的分化有较大影响。在居群水平上,每个居群(除SP居群)只固定了一种cpDNA单倍型,核基因主导单倍型广泛分布于多个居群中。因此,据此推测白菊木现有的遗传结构可能是由生境的片断化以及地理隔离导致的基因流受限所致。另外,cpDNA中性检验为显著的正值,结合失配分析得到的多峰曲线、网状进化关系图以及白菊木核基因单倍型的最近共同祖先的时间(tTMRCA)估算,可以推测白菊木在冰期可能经历了居群的缩减或灭绝,居群没有退缩到共同的避难所而后发生扩张。基于居群的遗传多样性和独特性,提出了白菊木相应的保护策略。
2.栌菊木的保护遗传学研究利用cpDNA基因间隔区片段rpl32-trnL以及核基因片段GBSSI对栌菊木16个居群(共152个个体)进行序列变异分析,结果检测到3种cpDNA单倍型和8种核基因单倍型。结果表明栌菊木的遗传多样性水平较低(rpl32-trnL:π=0.00038;GBSSI:π=0.00097),居群间存在显著的遗传分化(rpl32-trnL:GST=0.849,FST=0.896:GBSSI:GST=0.484,FST=0.424),这说明居群彼此隔离,居群间基因流有限。按流域划分,栌菊木金沙江流域与南盘江流域的遗传分化仅占总遗传变异的一小部分(rpl32-trnL:FCT=24.2%;GBSSI:FCT=16.2%),表明两个流域间的遗传分化不是导致栌菊木居群遗传分化的主要因素。在单倍型网状图中,分布频率最高的cpDNA单倍型C2位于中间位置,其余单倍型均以一步突变与该单倍型连接,且两个流域具有相同的cpDNA以及核基因主导单倍型。因此,可以推测,金沙江流域可能是栌菊木在冰期的避难所,而后扩散到南盘江流域,由于建立者数目足够多,携带了较多的遗传异质性,以至于两个流域间没有显著的遗传分化。对于栌菊木,要优先采取就地保护的策略保护现有的居群。
3.白菊木和栌菊木的遗传结构比较及亲缘关系分析基于cpDNA的rpl32-trnL以及核基因序列GBSSI对白菊木和栌菊木的遗传多样性以及遗传结构进行比较分析后得出:白菊木的遗传多样性(rpl32-trnL:π=0.00053,Hd=0.473,HT=0.487;GBSSI:π=0.00167,Hd=0.751,HT=0.793)要略高于栌菊木(rpl32-trnL:π=0.00038,Hd=0.32,HT=0.422;GBSSI:π=0.00097,Hd=0.550,HT=0.608),这可能暗示着白菊木的进化历史要长于栌菊木,或者瓶颈效应在栌菊木中留下了更强的遗传印记所致。白菊木在cpDNA水平上的遗传分化(rpl32-trnL:GST=0.913,FST=0.907)要高于栌菊木的遗传分化(rpl32-trnL:GST=0.849,FST=0.896),而栌菊木在核基因水平上的遗传分化(GBSSI:GST=0.484,FST=0.424)程度要高于白菊木(GBSSI:GST=0.274,FST=0.263),这一结果可能与两者分布区环境的异质性差异以及花粉流传播的差异有关。在网状进化树中,白菊木和栌菊木以高频率共享同一个cpDNA单倍型(C2),而核基因的单倍型(除单倍型Hap15)都为两者自己所特有,当将核基因中的重组去除后,白菊木和栌菊木也以较高频率共享一种祖先单倍型(G3),因此,两者共有的cpDNA以及核基因单倍型可能是由过去的杂交\基因渐渗或不完全的谱系分选所致。白菊木和栌菊木遗传特征的比较分析表明两者不存在祖先-衍生物种对的关系。