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ITS Sequence Analysis of Opisthopappus taihangensis and O. longilobus

濒危植物太行菊与长裂太行菊的ITS序列分析



全 文 :园艺学报,2015,42 (1):86–94.
Acta Horticulturae Sinica
86 doi:10.16420/j.issn.0513-353x.2014-0400;http://www. ahs. ac. cn
濒危植物太行菊与长裂太行菊的ITS序列分析
王祎玲,张翠琴,林丽丽,袁丽环*
(山西师范大学生命科学学院,山西临汾 041000)
摘 要:对太行菊属(Opisthopappus)的太行菊(O. taihangensis)和长裂太行菊(O. longilobus)13
个种群的核糖体 DNA ITS 进行测序,分析不同种、不同种群间的 ITS 序列差异。结果表明:排序后的 ITS
序列总长度为 682 bp,含有 15 个简约信息位点;根据 ITS 序列差异共确定出 18 种单倍型,太行菊和长
裂太行菊种群均表现出高的单倍型多样性和核苷酸多样性;两个种均有独有的单倍型,又有共有单倍型;
聚类分析表明 18 种单倍型形成明显两支,Hn1 和 Hn8 分别位于两支的中心为祖先单倍型。ITS 序列将太
行菊和长裂太行菊 13 个种群聚类成一个单源支系,但长裂太行菊中两个种群(林虑山 LLS 和石板岩 SBY)
与太行菊种群聚为一支,显示出两种之间存在着基因交流或杂交。在进化过程中,长裂太行菊可能经历
了长距离侵殖,太行菊在太行山隆升之前经历了种群的扩张,随着太行山的隆升逐渐形成现今的分布格
局。
关键词:太行菊;长裂太行菊;核糖体 DNA;ITS
中图分类号:S 682.1+1 文献标志码:A 文章编号:0513-353X(2015)01-0086-09

ITS Sequence Analysis of Opisthopappus taihangensis and O. longilobus
WANG Yi-ling,ZHANG Cui-qin,LIN Li-li,and YUAN Li-huan*
(College of Life Science,Shanxi Normal University,Linfen,Shanxi 041000,China)
Abstract:The ITS of ribosomal DNA was sequenced to investigate the difference between ITS
sequences for 13 populations of Opisthopappus taihangensis(8 populations)and O. longilobus(5
populations)of Opisthopappus. The results indicated that the total length of ITS was 682 bp containing 15
parsimony informative sites. Eighteen nrDNA haplotypes were identified. High haplotype diversity and
nucleotide diversity had occurred into O. taihangensis(hd = 0.558,πd = 0.00158)and O. longilobus
populations(hd = 0.908,πd = 0.00537). Some haplotypes were unique ones for O. taihangensis and O.
longilobus respectively,some were shared by this two species. All indentified haplotypes clustered into
two lineages,Hn8 might be an ancestral haplotype for the lineageⅠ,Hn1 was the predominant and
widespread one in the cladeⅡ. The all studied populations of O. taihangensis and O. longilobus was
gathered a monophyletic clade. Five O. longilobus populations were not gathered together,LLS and SBY
of O. longilobus were gathered together with all eight O. taihangensis populations which indicated
exchange of genes or interspecific hybridization occurred between O. taihangensis and O. longilobus.

收稿日期:2014–06–13;修回日期:2014–09–29
基金项目:山西师范大学自然基金项目(ZR1106);山西省自然科学基金项目(2011011031-2)
* 通信作者 Author for correspondence(E-mail:ylwangbj@hotmail.com)
王祎玲,张翠琴,林丽丽,袁丽环.
濒危植物太行菊与长裂太行菊的 ITS 序列分析.
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During the process of evolution,long-distance dispersal and colonization may be a major historical event
for O. longilobus;A pattern of population expansion and re-colonization was observed in O. taihangensis
before the uplift of Taihang Mountains.
Key words:Opisthopappus taihangensis;O. longilobus;ribosomal DNA;ITS

在植物的遗传系统中,核基因组(nrDNA)是遗传基础,包含双亲的遗传信息,进化速率最
快,可以反映近期发生的基因交流(Eickbush & Eickbush,2007)。核糖体 DNA(rDNA)是一些
高度重复序列组成的多基因家族,在基因组内往往有成千上万的拷贝,这些拷贝在基因组内串联
重复,分布在一对或多对染色体上(Eickbush & Eickbush,2007;周阿涛 等,2013)。位于核糖
体基因重复单元之间的内转录间隔区(ITS)序列为中度保守序列,其 DNA 碱基替换速率快,片
段长度小,是研究较低分类群(包括近缘属间、属下种间甚至种下种群间)系统关系的重要标记
(Li et al.,2011;黄文达 等,2013;朱元娣 等,2014)。虽然也有研究者对 ITS 序列分析持否定
态度(Soltis et al.,1998;Alvarez & Wendel,2003),但 ITS 序列数据能为杂交和网状进化提供直
接的证据(Baldwin et al.,1995;Sang et al.,1995;Wendel et al.,1995;Kita & Ito,2000;Yamaji
et al.,2005),并表现出较高的多态性和信息位点百分率,近年来被广泛应用于植物近缘属间和属
内种间遗传差异及系统发育和进化关系研究(高连明 等,2003;Yamaji et al.,2005;陶晓瑜 等,
2008;刘红彬 等,2012)。
太行菊属(Opisthopappus)植物为中国太行山所特有,多年生草本,生长于海拔 1 000 m 左右
的山坡和悬崖峭壁之中。属内共有两个种,太行菊(O. taihangensis)和长裂太行菊(O. longilobus),
主要分布于山西、河北、河南。太行菊属植物的花洁白或粉红,富含芳香油,具有很高的观赏价值
和经济价值,是太行山上重要的物种资源,也是菊科植物中重要的栽培种质资源。由于太行山生态
环境独特,太行菊繁殖能力较弱,再加之人为采摘,其种群数量逐渐减少,现处于濒危状态,已
被列为国家第 2 批珍稀濒危保护植物(傅立国和金鉴明,1992)。
太行菊属中长裂太行菊主要分布在河北省,株高 15 ~ 30 cm,老枝无叶,总苞浅碟状,基部有
苞叶,瘦果小,长 1 mm,染色体数为 2n = 18,二倍体。太行菊主要分布在山西省和河南省,高 10 ~
15 cm,茎淡紫色或褐色,被伏短柔毛,基生叶卵形,茎叶于基生叶同形,头状花序,总苞浅盘状,
瘦果长 1.2 mm,二倍体(2n = 18)。太行菊与长裂太行菊在形态上表现出一定的差异,太行菊叶片
两面被伏短的柔毛,茎叶规则二回羽状分裂,总苞下面裸露,无苞叶;长裂太行菊叶片两面光滑无
毛,除基部茎叶二回或近二回羽状分裂外,大部分茎叶一回羽状分裂,总苞下面常有 1 对苞叶(胡
枭,2008)。长裂太行菊种群与太行菊种群的花粉形态特征也表现出明显的种间差异(高亚卉 等,
2011)。太行菊属种群中既有原始类群,又有进化类群,处于活跃的进化过程中。基于 SRAP、
cpSSR 分子标记的研究结果表明,长裂太行菊与太行菊都具有高的遗传多样性,两种之间可能存在
着基因交流或杂交(Wang,2013;Wang & Yan,2013)。
本研究中试图从分子生物学的角度检测核糖体内转录间隔区(Internal Transcribed Spacer,ITS)
序列的多态性,分析影响种内及种间遗传分化的原因,并结合形态学讨论长裂太行菊与太行菊的系
统演化关系,为太行菊属的分类学研究提供分子方面的证据。

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1 材料与方法
1.1 试验材料
本试验中所用的材料分别采自山西、河南、河北等省,其中长裂太行菊 5 个种群,太行菊 8 个
种群(表 1),基本覆盖了太行菊属植物的分布区。每个种群采集 10 ~ 25 个个体,选择长势茂盛、
植株健壮的个体,个体与个体之间相隔至少 5 m。采集其新鲜叶片,迅速用硅胶干燥,直至叶片完
全变干,放置于–80 ℃的冰箱中备用。
1.2 试验方法
利用改良的 CTAB 法(Doyle & Doyle,1987)提取总 DNA,经 0.8%琼脂糖凝胶电泳及核酸蛋
白分析仪检测后置入–20 ℃的冰箱中保存备用。
扩增 ITS 序列的引物为 ITS4:5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′;ITS5:5′-GGAAGTAAA
AGTCGTAACAAGG-3′(White et al.,1990)。
PCR 反应在 Tpersonal Thermocycle 热循环仪上进行。扩增反应的总体积为 25 μL,包含 1 μL
(60 ng · μL-1)DNA 模板,10 μL 引物,0.1 U · μL-1 Taq Polymerase,500 μmol · L-1 dNTP,20 mmol · L-1
Tris-HCl(pH 8.3),100 mmol · L-1 KCl,3 mmol · L-1 MgCl2,ddH2O 补足。PCR 反应程序为:94 ℃
预变性 4 min。94 ℃变性 30 s;49.2 ℃复性 40 s;72 ℃延伸 1 min 20 s;34 次循环,72 ℃最终延伸
7 min。扩增产物利用琼脂糖凝胶(2%)电泳检测。测序由生工生物工程(上海)股份有限公司完
成,为确保所获得序列的准确性,测序过程采用双向测序。
1.3 数据分析
测序的原始峰图经 Contig Express 软件拼接,然后用 BioEdit(Hall,1999)进行手工校对,通
过 Clustal X(Thompson et al.,1997)对所获得的序列进行排列并进行必要的人工排序调整。利用
DnaSP ver. 5.0(Rozas et al.,2003)对每个种群进行单倍型多态性(h)和核苷酸多态性(π)分析,
同时估算物种水平的单倍型多态性(hd)和核苷酸多态性(πd),统计多态位点和信息位点数,并获
得序列文件的单倍型信息。基于总的单倍型数和每个种群的单倍型数,依照 Pons 和 Petit(1996)
报道,采用 PERMUT 软件统计种群内遗传多样性(hS)、总遗传多样性(hT)、地理相关单倍型总多
态性(VT)和地理相关单倍型平均多态性(VS)。
应用 jModelTest(Posada,2008)对序列矩阵进行模型选择,获得最适合核苷酸替代模型和相
关参数估值。用 MEGA 5.10 软件采用最大似然法(Maximum likelihood,ML)和邻位相接法
(Neighbor-Joining,NJ),以倭菊属(Nipponanthemum)、女蒿属(Hippolytia)为外类群构建系统
发育树。采用启发式搜索 1 000 次抽样,多重性选择和 ACCTRAN 优化,TBR 支长交换,获得严格
一致树。运用自展分析(Bootstraps,BS)评估系统树各分支的自展支持率。自展数值 75% ~ 100%
表示强支持率,50% ~ 70%表示弱支持率,< 50%表示不支持。采用 MrBayes 3.1.2(Ronquist &
Huelsenbeck,2003)软件进行贝叶斯分析(Huelsenbeck & Ronquist,2001),并通过 10 000 次重复
取样计算其后验概率(PP),将得到的最优模型用于贝叶斯分析。利用 NETWORK(Polzin &
Daneshmand,2003)和 Templeton 等(1992)所给出的最简约原则创建单倍型嵌套谱系关系图。
王祎玲,张翠琴,林丽丽,袁丽环.
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2 结果与分析
经测序共获得太行菊与长裂太行菊 13 个种群、两个外类群的 ITS 序列,校正后的 ITS 序列长
682 bp,其中变异位点 17 个,有效变异位点即系统发育信息位点 15 个。根据 ITS 序列差异共确定
出 18 种单倍型(表 1),其中长裂太行菊具有 15 种单倍型,太行菊具有 6 种单倍型,单倍型 Hn1、
Hn4、Hn5 分别被长裂太行菊和太行菊的不同种群共有,Hn8、Hn9 和 Hn12 被长裂太行菊的不同种
群共有,Hn16、Hn17、Hn18 被太行菊的不同种群共有且成为太行菊特有的单倍型,Hn2、Hn3、
Hn6、Hn7、Hn10、Hn11、Hn13、Hn14、Hn15 仅分布在长裂太行菊单个种群中,为长裂太行菊特
有单倍型。在 13 个种群中,除了长裂太行菊种群石板岩(SBY)、太行菊仙台山(XTS)外,其余
种群均具有两种以上单倍型,表现出多样性。

表 1 材料来源和多样性指数
Table 1 Genetic diversity parameters and sources of material

Species
种群
Populations
采样点
Location
经度
Longitude
纬度
Latitude
海拔
Altitude
单倍型数
Number
haplotypes
单倍型
多样性
Haplotype
diversity
核苷酸
多样性
Nucleotide
diversity
太行菊 GS 河南关山 Guanshan,Henan 113°34′ 34°45′ 1 396 3 0.714 0.00251
O. taihangensis YTS 河南云台山 Yuntaishan,Henan 113°25′ 35°25′ 1 000 2 0.400 0.00059
XTS 河南仙台山 Xiantaishan,Henan 113°49′ 34°11′ 1 000 1 0 0
SNS 河南神农山 Shennongshan,Henan 112°44′ 35°16′ 1 028 3 0.618 0.00155
FXF 河南伏羲峰 Fuxifeng,Henan 112°62′ 35°11′ 1 120 3 0.607 0.00162
WWS 河南王屋山 Wangwushan,Henan 112°26′ 35°38′ 946 3 0.700 0.00176
BJY 河南白家岩 Baijiayan,Henan 112°92′ 35°46′ 979 2 0.667 0.00293
WML 山西王莽岭 Wangmangling,Shanxi 113°35′ 35°41′ 1 421 2 0.667 0.00098
物种水平
Species
6 0.558 0.00158
长裂太行菊 WDS 河北武当山 Wudangshan,Hebei 113°47′ 36°57′ 1 253 7 0.819 0.00240
O. longilobus BXT 河北北响堂 Beixiangtang,Hebei 114°09′ 36°02′ 756 3 0.556 0.00130
SHS 河北双皇山 Shuanghuangshan,Hebei 113°57′ 36°54′ 732 3 0.857 0.00391
LLS 河南林虑山 Linlüshan,Henan 113°2′ 34°43′ 950 5 0.857 0.00196
SBY 河南石板岩 Shibanyan,Henan 113°32′ 36°03′ 1 000 1 0 0
物种水平
Species
15 0.908 0.00537
属水平 Genus 18 0.805 0.00497

在所有被研究种群中单倍型多样性指数(h)在 0 ~ 0.857 之间变化(表 1),核苷酸多样性指数
(π)在 0 ~ 0.00391 变化。5 个长裂太行菊种群中,双皇山(SHS)的多样性最高(h = 0.857,π =
0.00391),武当山(WDS)次之(h = 0.819,π = 0.00240),石板岩(SBY)最低(h = 0,π = 0);
物种水平上的单倍型多样性(hd)和核苷酸多样性(πd)分别为 0.908 和 0.00537。8 个太行菊种群
中,关山(GS)的多样性最高(h = 0.714,π = 0.00251),仙台山(XTS)的最低(h = 0,π = 0);
物种水平上的单倍型多样性(hd)和核苷酸多样性(πd)分别为 0.558 和 0.00158。太行菊属 13 个种
群的单倍型多样性(hd)和核苷酸多样性(πd)分别为 0.805 和 0.00497.
PERMUT 计算结果表明,长裂太行菊种群表现出高的遗传多样性,种群内遗传多样性数值(hS)
为 0.824,总的遗传多样性(hT)为 0.944,地理相关单倍型总多样性(VT)为 0.937,地理相关单倍
型平均多样性(VS)为 0.889。太行菊种群同样显示出高的遗传多样性,hS、hT、VT、VS 分别为 0.806、

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0.810、0.704、0.592。
18 种核糖体单倍型和倭菊属(Nipponanthemum)、女蒿属(Hippolytia)两个外类群共形成支持
率较高的两大支(图 1,A),外类群形成一支,所有单倍型形成另一支,表明太行菊与长裂太行菊
形成一个单源系。单源系内形成两支:Ⅰ和Ⅱ。单倍型 Hn1、Hn2、Hn3、Hn4、Hn5、Hn16、Hn17、
Hn18 形成 CladeⅠ,其余单倍型构成 CladeⅡ。单倍型嵌套谱系关系表现出相似的拓扑结构(图 1,
B),在Ⅰ中,单倍型Hn1位于中央位置;在Ⅱ中,单倍型Hn8位于中心位置。根据Crandall和Templeton
(1993)理论,古老单倍型一般位于谱系关系图的中央,据此,Hn1 和 Hn8 为太行菊与长裂太行菊
的祖先单倍型,其余单倍型位于谱系关系图支系的末端,为衍生单倍型。

图 1 核糖体单倍型进化关系图
A:18 种单倍型的 NJ 树,支系上的数字大小代表着支持率的高低;B:单倍型网状关系图,
圈的大小表示单倍型频率的高低。
Fig. 1 The evolutionary relationships among nrDNA haplotypes of Opisthopappus
A:NJ phylogenetic tree for the 18 nrDNA haplotypes of Opisthopappus. Numbers above branches are support values from bootstrap resampling.
B:Median-joining network. Sizes of the circles are proportional to the overall frequency of the
haplotypes in the entire sample of all species.

图 2 显示了最大似然分析和邻位相接分析的结果,由 ITS 序列构建的 ML 和 NJ 树拓扑结构基
本一致。太行菊和长裂太行菊两个种形成一个单源系并得到 99%的支持率。在太行菊属的内部分支
上,长裂太行菊种群双皇山(SHS)、北响堂(BXT)和武当山(WDS)形成一个支系,支持率高
达 97%;长裂太行菊种群林虑山(LLS)和石板岩(SBY)与 8 个太行菊种群构成另一支,支持率
分别为 60%和 99%,在这支中又形成两个分支,其中王屋山(WWS)、王莽岭(WML)、云台山(YTS)、
神农山(SNS)和伏羲峰(FXF)5 个太行菊种群聚在一起,支持率分别为 60%和 63%,林虑山(LLS)
和石板岩(SBY)两个长裂太行菊种群和关山(GS)、仙台山(XTS)、白家岩(BJY)3 个太行菊
种群聚在一起,支持率为 89%。
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图 2 基于 ITS 序列特征构建的系统发育树
A:基于最大似然法构建的系统树;B:基于邻接法构建的系统树。*为长裂太行菊。
Fig. 2 The phylogenetic analyses based on ITS sequences
A:Maximum likelihood tree;B:Neighbor-joining tree. * Represent O. longilobus.
3 讨论
太行菊与长裂太行菊种群表现出高的遗传多样性,这一结果与作者前期工作(Wang,2013;
Wang & Yan,2013)相吻合,SRAP 和 cpSSR 标记均表明在太行菊和长裂太行菊种群中存在着高的
遗传多样性。本研究中的结果也与其它草本植物的研究结果相似,但显著高于 170 种植物物种的平
均遗传多样性(Petit et al.,2005)。长裂太行菊双皇山(SHS)种群的遗传多样性最高,其次是武当
山(WDS)种群,暗示着双皇山(SHS)、武当山(WDS)所在区域为长裂太行菊的多样性中心;
对太行菊而言,关山(GS)和白家岩(BJY)所在区域为其多样性中心。
物种遗传多样性常常受到物种的生活史特征(如生活周期、繁育系统)和所处环境(如地形地
貌、气候条件)的影响(Loveless & Hamrick,1984;Nybom,2004)。长裂太行菊和太行菊的花均
为两性花,能进行有性生殖;又为多年生草本植物,具有相对较长的生活周期。而有性生殖和相对
较长的生活周期应使长裂太行菊和太行菊种群具有较低的遗传多样性(Hamrick & Godt,1996),在
本研究中,不管是长裂太行菊种群还是太行菊种群均具有高的遗传多样性。植物花粉和种子的散布
机制显著影响着物种种群的遗传结构。一般说来,杂交、高种子传播能力的物种,遗传多样性主要
分布在种群内;而自交、有限种子传播能力的物种,遗传多样性主要存在于种群间。长裂太行菊和
太行菊均自交亲和(胡枭,2008),根据 ITS 序列特征估算的基因流都小于 1(Nm 长裂太行菊 = 0.10,
Nm 太行菊 = 0.14)。太行山山脉复杂的地形地貌、众多的沟壑进一步阻碍了种群间的基因交流。长裂
太行菊和太行菊多生长在岩石峭壁上,从海拔 700 ~ 1 500 m 均有分布,海拔的变化、不同种群所处

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生境的差异,都会影响种群的遗传多样性(Till-Bottraund & Gaudeul,2002)。据此,有限的基因流、
生境的异质性将会促进长裂太行菊和太行菊对区域的适应,从而在不同种群中固定不同的基因,使
得长裂太行菊和太行菊具有高的遗传多样性。
聚类分析表明,18 种单倍型形成两支(图 1),13 个种群也聚成主要两组(图 2)。长裂太行菊
与太行菊均为二倍体,形态相似,主要区别仅体现在叶形和总苞两个方面(胡枭,2008)。中国植物
志英文版(Editorial Board of the Flora of China of the China Science Academy,2013)甚至将其合并为
一个种。对 SRAP、spSSR 分子标记进行的 AMOVA 分析表明,长裂太行菊与太行菊两种之间虽变
异较小但差异显著(Wang,2013;Wang & Yan,2013)。ITS 序列显示,长裂太行菊与太行菊的基
因序列一致性为 97.8%,二者的序列差异体现在 17 个位点发生碱基的缺失、颠换和置换,表明长裂
太行菊与太行菊的基因序列差异明显。在确定的 18 种核糖体单倍型中,Hn1、Hn4 和 Hn5 单倍型被
两种共有,其余 15 种单倍型均为两种的独有单倍型,其中 Hn2、Hn 3、Hn 6、Hn 7、Hn 8、Hn 9、
Hn 10、Hn 11、Hn 12、Hn 13 为长裂太行菊特有;Hn16、Hn 17、Hn 18 为太行菊特有,暗示着长
裂太行菊与太行菊之间明显的遗传分化。据此,认为长裂太行菊与太行菊作为两个种较为合适,这
一结果与胡枭(2008)的观点一致。
据资料表明,第四纪冰川来临之前,太行山区的古植被以草原为主(阳小兰 等,1999)。作为
草本植物,长裂太行菊和太行菊可随着草原的扩散而迁移。随着冰川的来临,气候的波动,长裂太
行菊和太行菊分布区域发生片断化。在更新世晚期,冰期、间冰期的不断循环,使得太行山区的植
被也随之发生改变,从草原到森林再到草原再到森林(阳小兰 等,1999),片断化的长裂太行菊和
太行菊种群逐渐被隔离。同时随着太行山的不断隆升,沟壑、峡谷形成了种群间的自然屏障,阻碍
了种群间的基因交流,促进了种群间甚至种间的分化。
长裂太行菊主要分布在河北和河南两省,在进化过程中可能经历了长距离的迁移和侵殖。太行
山区古植被从草原到森林的不断循环更替(阳小兰 等,1999),为这种迁移或侵殖提供了可能。单
倍型 Hn1 被林虑山(LLS)和石板岩(SBY)种群共享表明这种迁移存在的可能。随后,气候变迁,
间冰期到来,太行山区植被彻底从草原转变为森林,迁移通道被阻断,长裂太行菊种群也逐渐被隔
离,从而在各个区域生存固定下来,形成了现今具有不同单倍型的种群。太行菊主要分布在河南、
山西两省,在其进化历程中,在太行山脉抬升之前,可能经历了种群的扩张。随着太行山的抬升,
限制了基因的流动进而限制了种群的扩张,因而太行菊种群目前的分布格局可能是一个大种群片断
化的结果。但长裂太行菊的林虑山(LLS)和石板岩(SBY)种群与太行菊种群聚在一起形成一支,
单倍型 Hn1、Hn4、Hn5 被长裂太行菊和太行菊两个种共有。这种现象可能是物种形成过程中祖先
多样性的保留,或是种间存在着基因交流或种间杂交。胡枭(2008)的研究表明长裂太行菊和太行
菊的生存环境相似,开花时间相同,可能存在着相同的传粉者,导致两种之间杂交的发生。

References
Alvarez I,Wendel J F. 2003. Ribosomal ITS sequences and plant phylogenetic and rbcL-based molecular phylogenies in birches and related species
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Crandall K A,Templeton A R. 1993. Empirical tests of some predictions from coalescent theory with applications to intraspecific phylogeny
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