特提斯孑遗洲际间断分布植物穗菝葜(Smilax aspera L.)的亲缘地理学研究

摘要

穗菝葜(Smilax aspera L.，Smilacaceae)是菝葜科植物中分布最广的物种，广泛分布于环地中海区域、东非高地森林、印度-中国喜马拉雅季雨林，呈现环地中海-东非-南亚的欧非亚间断分布模式，是旱生硬叶常绿阔叶林成分之一，该植被类型被认为起源于第三纪古特提斯海沿岸的喜暖喜湿的亚热带植被区系。前期研究发现穗菝葜位于菝葜科系统发育旧大陆分支的基部类群，是联系菝葜科旧大陆和新大陆的关键纽带。由于其特殊的间断分布模型与系统发育地位，研究穗菝葜的物种形成与亲缘地理学对阐明菝葜科的进化历史以及古特提斯植被常绿阔叶林成分的形成和间断分布机制具有重要意义。本研究通过微卫星标记、SNP标记、生态位建模(ENM)，结合亲缘地理学和群体遗传学的理论和方法研究穗菝葜的谱系分化，群体动态历史与起源演化，主要研究结果如下:
　　1)微卫星标记通过对穗菝葜近缘种Smilax bona-nox的转录组进行微卫星扫描，鉴定得到10754个微卫星位点，设计4862对SSR引物，随机合成150余对引物用于穗菝葜8个群体的PCR扩增验证，其中35对SSR引物具有良好的扩增效率和多态性。将这35对微卫星引物用于穗菝葜地中海、东非和南亚34个群体(399个个体)的群体遗传分析。基于35对微卫星引物的群体遗传多样性显示:总遗传多样性HS的范围是0.372-0.608，平均值为0.537;观测杂合度HO的范围是0.349-0.738，平均值为0.650;期望杂合度HE的范围是0.354-0.588，平均值为0.518。基于Nei's遗传距离的PCoA主成分分析显示，穗菝葜存在两个主要聚类，表明穗菝葜在种下水平的谱系关系，即地中海谱系和东非-南亚谱系;基于贝叶斯算法的STRUCTURE分析显示，所有穗菝葜群体的最佳分组值K为2，表明穗菝葜分为地中海与东非-南亚两个谱系，在K=3时，在地中海谱系内部可分为2个基因池，地理上呈现出地中海东部与西部两个分区;进一步在各谱系内的STRUCTURE分析显示在地中海谱系内部有相同的结论，在东非-南亚谱系内部，东非群体的KL群体与南亚的喜马拉雅地区的群体以及中国云南的CP群体存在共有基因池现象。IBD检测显示穗菝葜群体存在显著的地理隔离效应。
　　2)基于RAD-tags的SNP标记通过酶切实验和计算机insilico模拟酶切选择最适于穗菝葜DNA酶切建库的限制性内切酶组合:MluCⅠ+AvaⅡ。优化和完善建库流程后，对穗菝葜40个群体(250个个体)进行简化基因组建库，在Illumina HiSeq X Ten平台进行测序。测序结果利用Stacks v1.47软件进行处理，process_radtags对原始数据进行拆分，单一个体的rad-tag数从338，582到5670，635不等;然后通过ustacks、cstacks、sstacks、populations的workflow分析，鉴定群体间的SNP位点，共获得49，138个SNP位点。主成分判别分析(DAPC)显示了穗菝葜群体的最佳分组为3，地中海西部(伊比利亚半岛、亚平宁半岛)群体为一组，地中海东部(巴尔干半岛、小亚细亚)群体为一组，以及东非-南亚群体为一组。基于最大似然法(ML)的系统发育分析揭示穗菝葜存在地中海谱系和东非-南亚两大谱系，两大谱系间分化明显，分支的支持率为100％。在地中海谱系内部，根据系统发育树的拓扑结构，显示小亚细亚次级谱系位于地中海谱系的基部，在东非-南亚谱系内，东非次级谱系为东非-南亚谱系的基部类群。BEAST推算的穗菝葜种内谱系的分歧时间显示，穗菝葜地中海谱系和东非-南亚谱系的分歧时间在中新世(Miocene)中期(11.70Ma，95％HPD:8.89-14.24Ma)，地中海谱系内部的分歧时间在中新世晚期(5.62Ma，95％HPD:0.95-11.02Ma)，东非-南亚谱系的分歧时间在上新世晚期(4.09Ma，95％HPD:0.32-9.71Ma)。基于BBM模型的穗菝葜祖先分布区重建显示中新世中期的隔离分化事件造成了穗菝葜地中海和东非-南亚谱系的形成，穗菝葜可能起源于南亚的喜马拉雅地区。
　　3)生态位模型拟合基于MAXENT的穗菝葜生态位模拟(ENM)显示，当前穗菝葜的潜在分布区与实际分布区较吻合，AUC值为0.962;在末次盛冰期(LGM)气候条件下，地中海区域的穗菝葜分布区明显南移，在东非地区，穗菝葜的最适生境较现今分布区有明显扩张，在南亚，穗菝葜主要分布在喜马拉雅一带和横断山区;在受温室效应影响的将来(2070年)，穗菝葜的分布区域明显收缩，其在地中海区域的最适分布区将北移，到达法国的北部和西部，在东非地区其生境片段化，在南亚地区，穗菝葜的最适分布区仍然是喜马拉雅和横断山区。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 前言

1．1 穗菝葜的研究概况

1．1．1 穗菝葜的生物学特征和地理分布

1．1．2 穗菝葜的分类学研究

1．1．3 穗菝葜的系统发育学研究

1．2 古特提斯植物区系

1．2．1 特提斯植物区系的演变和发展

1．2．2 特提斯植物区系起源的植物间断分布研究

1．3 亲缘地理学

1．3．1 亲缘地理学概述

1．3．2 亲缘地理学的相关理论

1．3．3 亲缘地理学相关的遗传标记

1．4 本研究的目的和意义

第二章 基于微卫星标记的穗菝葜的群体多样性和遗传结构

2．1 穗菝葜微卫星引物开发

2．1．1 材料

2．1．2 方法

2．1．3 结果

2．1．4 结论

2．2 基于微卫星引物的穗菝葜群体多态性和群体结构

2．2．1 材料

2．2．2 方法

2．2．3 研究结果

2．2．4 讨论

第三章 基于简化基因组测序的穗菝葜群体遗传与系统发育分析

3．1 材料

3．2 方法

3．2．1 最适酶切组合的确定

3．2．2 穗菝葜双酶切简化基因组文库构建

3．2．3 文库的上机测序

3．2．4 数据处理

3．2．5 遗传结构分析

3．2．6 系统发育分析

3．2．7 穗菝葜生物地理学分析

3．3 结果

3．3．1 最适酶切组合的确定

3．3．2 文库构建和质检

3．3．3 数据处理结果

3．3．4 穗菝葜群体遗传结构

3．3．5 穗菝葜系统发育分析

3．3．6 穗菝葜生物地理学分析

3．4 讨论

第四章 基于ENM模型的穗菝葜分布区重建

4．1 研究方法和内容

4．1．1 穗菝葜分布位点的获得

4．1．2 气候图层获取

4．1．3 生态位模拟

4．1．4 生态位最适生境的面积计算

4．2 研究结果

4．2．1 穗菝葜的潜在分布

4．2．2 穗菝葜各时期适宜生境的面积

4．3 小结

第五章 总结和展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢