青藏高原葱属(石蒜科)基因组大小进化研究

来源 :西北大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:njuchen1986
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基因组大小是植物的一个重要性状,植物的基因组大小在种间变化巨大,但其变异的机制和选择压力一直是进化生物学研究中重要的科学问题。除了受物种本身的影响外,植物的基因组大小还受生态环境的影响。此外,植物的基因组大小与表型特征、核型特征和种子特征等密切相关。葱属植物是单子叶植物中较大的一个属,目前全世界约有971种,主要分布于北半球。目前已对该属进行了较为系统的研究,该属为单系类群且系统发育关系已较为清楚,地理分布也较为明确。该属在青藏高原至少有111个种,在该地区物种多样性较丰富且高度分化。青藏高原隆升过程导致的生境多样化促进了葱属在这一地区剧烈分化,加之葱属植物较为明确的系统发育背景以及清晰的核型特征,使得葱属成为研究青藏高原植物基因组大小进化的一个理想材料。因此,本文拟以青藏高原葱属为研究对象,结合该属系统发育关系,分析基因组大小与核型特征、种子特征(千粒重)以及生态因子(海拔、年均温度、年均降水量等)的关系,阐明葱属在青藏高原基因组大小的进化模式及与环境适应的关系,为基因组大小在青藏高原的进化研究提供一个良好范例。研究结果如下:(1)青藏高原葱属基因组大小变异巨大,约21.37倍(从2.61 pg(Allium rude J.M.Xu)到55.78 pg(Allium cyathophorum var.farreri Stearn))。该属不同倍性内基因组大小也发生较大变异,二倍体基因组大小变异约7.59倍(从7.35 pg(Allium chrysocephalum Regel;2n=16)到55.78 pg(A.cyathophorum var.farreri;2n=16),基因组大小平均值为18.08 pg;三倍体基因组大小变异约为4.28倍(从5.69 pg(Allium korolkowii Regel;2n=24)到24.34 pg(Allium ovalifolium Handel-Mazzetti;2n=24)),基因组大小平均值为13.21 pg;四倍体基因组大小变异约为4.03倍(从4.20 pg(Allium ramosum Linnaeus;2n=28)到16.91 pg(Allium bidentatum Fisch.ex Prokh.et Ikonnikov-Galitzky;2n=32)),基因组大小平均值为9.62 pg;六倍体基因组大小变异约为2.54倍(从2.97 pg(Allium fasciculatum Rendle;2n=42)到7.55 pg(Allium polyrhizum Turczaninow ex Regel;2n=54)),基因组大小平均值为5.74 pg;八倍体仅有一个种A.rude,具有最小的基因组大小2.61 pg。另外,青藏高原葱属基因组大小随着倍性水平的增加而降低。青藏高原葱属基因组大小与染色体长度呈显著的正相关关系。重复序列、异染色质、染色体加倍融合可能是青藏高原葱属基因组大小变异的原因。(2)青藏高原葱属基因组大小进化模式为渐进式进化(κ<1),期间又发生了适应性辐射(δ<1)。该属祖先基因组大小为18.781 pg。基于ITS构建的系统发育树分成三大进化分支:第一分支基因组大小接近祖先基因组大小,第二分支基因组大小出现扩张趋势,该分支可能发生了适应性辐射;第三分支基因组大小出现收缩趋势,该分支包括了一系列的倍性水平,包括二倍体、三倍体、四倍体、六倍体和八倍体,多倍化过程中DNA的丢失可能是导致该分支基因组大小收缩的主要原因。(3)青藏高原葱属基因组大小与千粒重呈极显著的正相关关系,可能受到转录因子的调控。该属与海拔呈显著的正相关、与19个生物气候因子并无相关性,而且参数λ(λ=0.0003)结果显示青藏高原葱属基因组大小受系统发育信号影响非常弱,因此,该属基因组大小可能受生态因子的影响非常小。我们推测葱属基因组大小可能受到青藏高原特殊的生境(低温、高紫外线、土壤丰富的磷酸盐含量)选择压力的影响。
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