濒危植物脱皮榆的谱系地理学研究

摘要

脱皮榆（Ulmus lamellosa）为榆科（Ulmaceae）榆属（Ulmus）的落叶乔木，是中国特有种。其翅果含油量高（20-40%），是许多昆虫和鸟类重要的食物来源；其种子含有丰富的癸酸,是重要的轻工业原料；木材坚硬，可制造家具；具有重要的生态价值和经济价值，为我国榆科植物中的珍贵种质资源。近几年来，由于环境的变化和人为的过度开发利用，脱皮榆的种群和个体数量急剧减少，在山西省已被列为濒危保护物种。本文利用4个叶绿体DNA（cpDNA）片段（trnD-trnE, psbA-trnH, atpB-rbcL和matK）、核糖体DNA（nrDNA）的ITS区、单拷贝核基因Aat，并结合生态位模拟（ENM），对脱皮榆14个种群232个个体，分析其群体遗传变异、遗传结构、谱系进化历史及现今地理分布格局形成的原因；利用古气候、古地质资料以及冰期植被重建资料，推测脱皮榆在第四纪冰期的潜在避难所。最后，根据遗传变异的地理分布格局为脱皮榆的种质资源保护提供理论依据和基础资料。主要研究结果如下：
　　1.基于叶绿体DNA序列的分析。叶绿体 DNA（trnD-trnE、psbA-trnH、atpB-rbcL和 matK）联合数据共检测到51个变异位点，鉴定出10种单倍型。脱皮榆种群具有较高的遗传多样性（hT=0.811, VT=0.798, VS=0.506）和显著的谱系地理结构。单倍型Network谱系关系分析表明，单倍型 H3分布广泛，频率较高，是祖先单倍型。脱皮榆cpDNA单倍型分化时间开始于第三纪的中新世（9.27Ma）。错配分布中组 I（山西和河南地区）不拒绝扩张模型且扩张时间为0.101Ma。
　　2.基于核糖体DNAITS序列分析。脱皮榆ITS序列共鉴定出18种单倍型。在物种水平上，ITS序列表现出中等水平的核苷酸多态性和单倍型多态性（Hd=0.424，π=0.00212）。单倍型H1，是除历山（LS）以外，其它研究种群的共享单倍型，且H1处于Network网络图的中心，分布广泛，频率较高，是祖先单倍型，其它单倍型是由H1衍生而来的。构建的单倍型最大似然树将18种单倍型分成了三组，基本与种群地理分布相吻合。
　　3.基于单拷贝核基因Aat序列分析。根据单拷贝核基因 Aat序列，检测到23种单倍型。在物种水平上，表现出很高的核苷酸多态性和单倍型多态性（Hd=0.941，π=0.01601），物种及区域水平存在显著的谱系地理学结构。14个种群中，11个种群具有单倍型多态性。单倍型Network网络图将23种单倍型分成三组，与最大简约树结果基本一致。
　　4.生态位模型模拟分析。脱皮榆的34个分布点被用于生态位模拟分析。结果显示：脱皮榆当代分布区模拟与该物种现有分布格局相似；华北地区存在连续的适宜生境；末次盛冰期（LGM）与当代分布区基本一致，有略微缩小；末次间冰期（LIG）表现出扩张。生态位模型模拟分析结果支持cpDNA序列分析：在间冰期（0.101Ma），脱皮榆局部地区经历过种群扩张。
　　综上所述，脱皮榆种群遗传多样性较高，存在着显著的谱系地理学结构，部分分布区域经历过种群扩张，且在冰期来临的时候，脱皮榆没有经历大规模的向南迁移而是保留在了原地形成多个冰期避难所。脱皮榆濒危与其遗传衰退没有关系，而是由于环境变化和人为干扰导致。脱皮榆冰期后迁移路线是从山西南部开始向东北、西北和南方迁移的。

目录

1 前言

1.1 谱系地理学

1.1.1谱系地理学研究的科学问题

1.1.2 谱系地理学研究中常用的分子标记

1.1.3 谱系地理学研究的发展趋势

1.2.1 脱皮榆的生物学特性

1.2.2 脱皮榆的研究现状

1.3.1 研究目的

1.3.2 拟解决的主要问题

1.3.3 研究意义

1.3.4 技术路线图

2 研究材料与方法

2.1 材料的采集

2.2.1基因组总DNA的提取

2.2.2 DNA纯度的检测

2.3.1 cpDNA引物筛选，PCR扩增及测序

2.3.2 nrDNA ITS引物筛选、PCR扩增及测序

2.3.3 单拷贝核基因引物筛选、PCR扩增及测序

2.4 数据分析

3 结果与分析

3.1.1 基于cpDNA序列的群体遗传多样性

3.1.2 cpDNA群体遗传结构

3.1.3 cpDNA单倍型的系统发育和谱系关系

3.1.4 cpDNA分化时间估算和群体历史

3.2.1 nrDNA ITS的序列特征与遗传多样性

3.2.2 nrDNA ITS的系统关系和谱系地理结构

3.3 基于单拷贝核基因Aat的分析

3.3.1 单拷贝核基因Aat的序列特征与遗传多样性

3.3.2 基于单拷贝核基因Aat的系统关系和谱系地理结构

3.4 基于生态位模型（ENM）的研究

4讨论

4.1 遗传多样性与群体结构

4.2谱系地理结构和种群动态历史

4.3 脱皮榆种内分化历史

4.4 保护策略

5 总结

参考文献

在学期间的研究成果

致谢