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中国柽柳属和水柏枝属的分子系统学研究



全 文 :中国柽柳属和水柏枝属的分子系统学研究!
华 丽,张道远,潘伯荣
(中国科学院新疆生态与地理研究所,新疆 乌鲁木齐 !##$$)
摘要:对中国柽柳科 属 %$ 种植物的核糖体 &’( 中的内转录间隔区()*+)序列及 ,-! +
./’(基因的 0端序列进行测定。结果表明,)*+ 1 $片段的长度范围在 %,2 34 5 %67 34之间,
)*+ 1 %片段的长度范围在 %%, 34 5 %, 34之间。以 !#$%$&’# ()*+#&’,#作为功能性外类群,运用
8(98软件分析仅得到一个最简约树。简约树步长为 266步,一致性指数 -. : #-!,!2,保持性
指数 !. : #-!6%%。系统发育分析表明:秀丽水柏枝不应从水柏枝属中分出。另外,研究分析
为目前分类上存有争议的白花柽柳、短毛柽柳及甘蒙柽柳的划分提供了分子生物学证据。
关键词:柽柳科;)*+区;分子系统发育;分类
中图分类号:; 726,; 727 文献标识码:( 文章编号:#%, 1 %<##(%##2)# 1 #%! 1 #<
!#$%&#’( )*+,$-’,.%+ / !#$%& ’01 ’($%)$% .0 23.0’
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FTNW BT SMN RFGPS?CGBO CFSI.CF4,BGW CGOQ CGN JCTS 4B.T?JCG?CFT Y?SPM S.NN VBT C3SB?GNW SM.CFIM NZMBFTD
S?UN TNB.PMX *MN S.NN MBW 266 TSN4T,V?SM -. : #-!,!2 BGW !. : #-!6%%X *MN JCONPFOB. 4MQOCINGQ BGBOD
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柽柳科(*BJB.?PBPNBN)是一个古老的科,起源于第三纪。中国是该科的重要分布区,
约有 2属近 2#种。自 &NTUBFZ于 $!%,年建立本科以来,在属的确立和某些种的归属问题
云 南 植 物 研 究 %##2,<=():%! 5 %!7
8%,’ >,’0.%’ ?&00’0.%’
! 基金项目:中国科学院“西部之光”项目和生物区系特别支持项目资助
收稿日期:%## 1 #2 1 #,%##2 1 #$ 1 $!接受发表
作者简介:华丽($7<< 1)女,新疆人,在读研究生,主要从事植物系统学研究。
\ 1 JB?O:3NMB44QMFBO?]MCSJB?O- PCJ
上一直存有争议。柽柳属(!#$%& !)世界分布 #$余种,中国产 %&种 ’变种,分布于
新疆、青海、甘肃、宁夏、内蒙古等西北省区(张鹏云和张耀甲,%##$),其中 ($)为中
国珍稀特有种(尹林克和杨维康,%##&)。
秀丽水柏枝(’($%)$% *+*,-.)主要分布在西藏西南部的阿里地区、新疆西南部(叶
城)以及与我国毗邻的克什米尔地区,印度、巴基斯坦也有分布。生于海拔 * $$$ + , *$$
-的河岸、湖边砂砾及河滩(张鹏云和张耀甲,%#&,)。自从 %&*#年 ./012发现并命名了
秀丽水柏枝(’($%)$% *+*,-.)以来,秀丽水柏枝的归属一直是柽柳科植物研究中争论的
焦点。3456和 7896(%#::)认为秀丽水柏枝独特的形态学特性不同于柽柳属及水柏枝属,
成立一新属:’($/# 3456 2; 7896。<=>-(%#:&)在柽柳属的专著中把本种当作柽柳属
的一新种 ! ? +0)1*-.%. <=>-。同年 @=8A2B和 C18(%#:&)根据其花丝分离,基部不结合成
单体,种子顶端具芒柱,芒柱全部被毛,花粉外壁具粗网状纹饰等特征,将本种从柽柳属
中分出,另立为一新属,!#$%)$% @=8A2B 2; C18,本种作为新属的模式种 !#$%)$% *+*2
,-.(./012)@=8A2B 2; C18。国内的张鹏云和张耀甲(%#&,)、席以珍(%#&&)从不同的角度
论证了该种应归属于水柏枝属,笔者对它研究之后亦持同样的观点。
正如 的形态学性状”。柽柳属植物由于其缺少明显而准确的分类依据,且种间极易发生杂交而形
成复杂的多型现象,致使该属成为有花植物中分类最为混乱的属之一。白花柽柳(! ? +2
3%4+5$6#)是由刘铭庭(%##,)在塔里木盆地东部孔雀河下游的兴地前山山谷干河床边发现并
命名,其划分的主要依据为花的各部全为白色,且白色性状稳定遗传,然而对该种的确立
存有争议。魏岩等(%###)认为白花柽柳与长穗柽柳(! ? *+5-,/)相似,仅花色不同,
从叶解剖结构特征将白花柽柳作为长穗柽柳的变异处理较为合适;程争鸣等(’$$$)从植
物化学角度认为白花柽柳具某些独特特性,是一个自然的种。<=>-(%#:&)将短毛柽柳
(! ? 7$*+%-%%)视为刚毛柽柳( ! ? 1%.8%0)一变种。@=8A2B(%#&%)将其视为一独立的种。
短毛柽柳与刚毛柽柳外形上很相似,两者区别在于刚毛柽柳一年生枝叶有明显的毛,花瓣
向外反折,花后花瓣即落;而短毛柽柳一年生幼枝具细小的肉眼看不见的乳状突或短毛,
花瓣不向外反折,花后花瓣不完全脱落,常有 % + ’个宿存。<=>-(%#:&)认为甘蒙柽柳
(! ? 6./$5#5-,5+%))为多枝柽柳(! ? $#5.%..%#)或中国柽柳(! ? )1%-*-.%.)的异名。《中
国植物志》(第 ($卷第 ’分册)依据中国柽柳枝质柔软而下垂、叶先端渐尖而内弯,而甘
蒙柽柳枝质硬,直立或斜生、叶先端多向外倾而将两种区别开来。因此对这些存疑种的分
类问题,尚需结合其它证据进行深入研究。
笔者从柽柳科植物的 EFC水平入手,探讨该科的某些系统学及分类学问题,对柽柳
科长期有争议的属、种提供分子证据,同时也为本科植物的系统学研究、生物多样性保护
及大面积开发及利用提供新的理论依据。
! 材料与方法
!! 材料来源
本实验材料包括柽柳科 *属 ’%种,用于 EFC提取的材料为新鲜的或硅胶干燥的当年生新鲜小枝。
实验材料的采集信息及凭证标本见表 %。
,&’ 云 南 植 物 研 究 ’D卷
表 ! 材料来源
!#$% & !’% ()*+*, (- ./%)*$0
1%,20 34%5*%0 6(5$*/7 8(25’%) 1%,9,: ;55< =(<
!#$%& ! > ’& !2)4, ?)%.(4’7/%0 9(/,*5 1)@%, ABC D EE&FEG ;CHIJKFL
! > ’(%)’*$+# !2)4, ?)%.(4’7/%0 9(/,*5 1)@%, ABC D EE&FEM ;CHILELE
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! > 2.1+-.1%1 !2)4, ?)%.(4’7/%0 9(/,*5 1)@%, ABC D EE&FE&E ;CHILELL
! > ’-34*141/,51 !2)4, ?)%.(4’7/%0 9(/,*5 1)@%, ABC D EE&FE&G ;CLEGHMF
! > 1/,-.1%1 !2)4, ?)%.(4’7/%0 9(/,*5 1)@%, ABC D EE&FEI ;CHILELG
! > +14$*#*.2*’%/ !2)4, ?)%.(4’7/%0 9(/,*5 1)@%, N6 D EELIE&& ;CHILELH
! > 40’#0.-.1%1 !2)4, ?)%.(4’7/%0 9(/,*5 1)@%, N6 D EELIE&E ;CHILEL&
! > -’*.24 !2)4, ?)%.(4’7/%0 9(/,*5 1)@%, ABC D EE&EH& ;CLEGHMJ
! > 2$/%’%1 !2)4, ?)%.(4’7/%0 9(/,*5 1)@%, ABC D EE&EHL ;CHILEJE
! > $/-.4,*%6-1 !2)4, ?)%.(4’7/%0 9(/,*5 1)@%, ABC D EE&EHJ ;CHILELM
! > 0$-’%.%% !2)4, ?)%.(4’7/%0 9(/,*5 1)@%, ABC D EE&EHH ;CHILELF
! > ,%13%6 !2)4, ?)%.(4’7/%0 9(/,*5 1)@%, ABC D EE&EHI ;CLEGHML
! > /,%.-.1%1 !2)4, ?)%.(4’7/%0 9(/,*5 1)@%, ABC D EE&EHK ;CLEGHMH
! > 13 !2)4, ?)%.(4’7/%0 9(/,*5 1)@%, ABC D EE&FE&J ;CHILELI
! > 3$7%)*’% N%)#)*2. (- 9%*O*,+ 9(/,*5 1)@%, =(< &JMK ;CHILELK
85$%/$% 8 > -’-2.1 N%)#)*2. (- 9%*O*,+ 9(/,*5 1)@%, =(< &HMI ;CLEGHMM
8 > ’&%)’*$ 9%*O*,+ 9(/,*5 1)@%, ABC D EE&&E& ;CLEGHMK
8 > ($/4-4 BN%C, P*,O*,+ ABC D EEEGE& ;CLFGHMG
9-+#+$% 9 > 1*.2$%/ !2)4, ?)%.(4’7/%0 9(/,*5 1)@%, ABC D EE&FE&F ;CLEGHMI
!# 总 $%&提取
总 B=;提取方法为高盐、低 4N法,根据邹喻萍等(&FFH)的方法加以改进。主要步骤如下:实验
材料 Q液氮研磨!用 ?B!; Q R8R Q巯基乙醇缓冲液(4N I>H)!IKS摇床温育 JE .*, !离心后取出 Q
T;U溶液(4N H>I)!低温超速离心 &E .*, Q等体积的氯仿 D异戊醇洗两次!上清液加入 &倍体积异丙
醇 D LES冷冻!GEV酒精洗 J次。
!’ 引物设计及选择
W!3 D &的扩增引物 R&、RL 根据水稻 )X=;基因序列(!:*Y等,&FMI)设计。其 R& 序列为 IZ D ;1;
;1! U1! ;;U ;;1 1!! !UU 1!; 11D JZ;RL 序列为 IZ D 1;! 1U1 ;1; 1UU 1;1 ;!; !UU 1!! 1 D JZ。W!3
D L的扩增引物 RJ、RH 分别同 [’*/%等(&FFE)的 W!3 D J和 W!3 D H序列。
!( )*+的扩增和纯化
W!3的扩增采取 R& Q RH 进行整段扩增,或用 R& Q RL、RJ Q RH 分别扩增 W!3 D &和 W!3 D L。R& Q RL 的程
序如下:GES H .*,;FHS & .*,,KES LE 0,GES IE 0,两个循环;然后 FHS LE 0,KES LE 0,GES IE 0,
JM个循环;最后 GLS H .*,。RJ Q RH 的程序如下:GES H .*,,FIS I .*,,& 个循环;然后 FIS JE 0,
ILS JE 0,GLS & .*,,JI个循环;最后 GLS &E 0。扩增反应在 R? FKEE型 RUX仪上进行,溶液配置方法
同汪小全和李振宇(&FFM)。RUX产物经 3%4’+$0 9,@4)%4 T*/(R’).5* U(<)或[*\)@ RUX R)%40 B=; R2]
)*-*5/*(, 370/%.(R)(.%+)纯化后直接用于测序反应。
!, 测序反应及检测
测序工作在 ;9WJGG B=;测序仪上进行。每个物种的 W!3均用 R&、RL、RJ、RH H个引物测定,对正反
链进行测定,以保证序列的准确性。
!- 序列分析及系统树构建
W!3 D &及 W!3 D L的范围根据水稻 )B=;的序列确定,排列用 U6^3!;6 ;软件(N*++*,0,&FFH)完成。
排列好的序列用 R;^R H>E系统发育分析软件进行分析。R;^R分析中碱基处理作 _*/5’性状(无序),缺
IMLJ期 华 丽等:中国柽柳属和水柏枝属的分子系统学研究
隙(!#)分别作为缺失($%&&%’!)状态和第五碱基((%()* &))+)作两种分析。!#$%$&’# ()*+#&’,# 始终作
为外类群(,-)!.,-#)。最简约树采用分枝界限法(/,-’0 ’0 /.’1*)寻找,为进一步判断简约树中各分
枝的可信度,本文采用 2,,)&).#检验方法(344次重复)。
! 结果
!# $%&片段长度及碱基变化
本研究测定了 56个类群(包括一个外类群)的 789 : 6和 789 : 5的完整序列及其 3;<
9 .=>?的 @A端近 <@个碱基序列。789 : 6片段的长度在 53B 2# C 5DE 2#之间,789 : 5片段
的长度在 553 2# C 53@ 2#之间。789在柽柳属与水柏枝属间存在 64 2# C 6E 2#的长度差异,
在柽柳属与红砂属间存在 5B 2# C 5< 2#的长度差异。柽柳属内 F G H含量在 789 : 6区的变
化范围为 D6I C D@I,在 789 : 5区为 3789 : 5区有 E@个,信息位点在 789 : 6区有 BD个,789 : 5区有 DE个。水柏枝属内 F G H
含量在 789 : 6区的变化范围为 34I C 3@I,在 789 : 5区为 B态时,排列后的序列经 K?LK分析得到 56种柽柳科植物的 789和 3;< 9 .=>?的 @A端序列间
的绝对遗传距离(核苷酸差异数)和相对遗传距离(表 5)。
图 6 根据 789序列导出的唯一最简约的柽柳科植物系统树
!#处理为第五碱基,!#$%$&’# ()*+#&’,#被指定为外类群。该树总步长为 BDD步,一致性指数 -. M 4;<3!. M 4;O%!N 6 9%’!P+ $,&) #.&%$,’%,-& ).++ (,. )*+ 8$.%11++ 2&+0 ,’ 789 &+Q-+’1+& R%)* !#& %& ).+)+0 & (%()* &))+ P+’!)* M BDD,
-. M 4;<3!#$%$&’# ()*+#&’,# %& )*+ 0+&%!’)+0 ,-)!.,-#N
D<5 云 南 植 物 研 究 5D卷
表 ! 柽柳科 !种植物 #$%和 &’( % )*+,的 -.端序列间的绝对遗传距离和相对遗传距离
!#$% & ’()*(+% ,%-%.(/ 0(+.-/% 12 3!4 -0 5).($ 678 4 )9:; ,%-% +%<=%-/% (- .*%-.> 1-% +5%/(%+ 12 .?% !@)(//%%
#%$1* 0(,1-$ )% #+1$=.% 0(+.-/% *?($% #1A% )% @%- 0(+.-/%
B & C D 6 E F 8 G BH BB
B ! 7 #$# I H7HBH&D H7HBBG6 H7HBCE6 H7H&C8G H7HBFHE H7H&HD8 H7H&6EH H7H&FC6 H7HBBG6 H7HE8C8
& ! 7 #%&’()*+ E I H7HH6B& H7HBCE6 H7H&HD8 H7HB8FF H7H&&B8 H7H&&B8 H7H&CGC H7H&HD8 H7HEEEF
C ! 7 ,#-#+#-#./.0&0 F C I H7HH86C H7HB6CE H7HBCE6 H7H&HD8 H7HBFHE H7H&&&& H7HB6CE H7HEEEF
D ! 7 /1,(0,02340 8 8 6 I H7H&HD8 H7HB8FF H7H&&B8 H7H&&B8 H7H&FC6 H7HBH&D H7HFBFG
6 ! 7 )#+(0&00&+# BD B& G B& I H7HB6CE H7H&&B8 H7HB6CE H7HBFHG H7H&&B8 H7HEB6D
E ! 7 5#.0*/.0&0 BH BB 8 BB G I H7H&C8G H7HB6CE H7H&6ED H7H&&B8 H7HFHHG
F ! 7 3(3/.#2-/)& B& BC B& BC BC BD I H7HCHF& H7H&GHE H7HB8FF H7HFHHG
8 ! 7 #*0,)(+(.5(&2# B6 BC BH BC G G B8 I H7H&&&& H7H&6EH H7H&6EH
G ! 7 01 BE BD BC BE BH B6 BF BC I H7H&GHE H7HE6HF
BH ! 7 1#)6&’(&# F B& G E BC BC BB B6 BF I H7HFBFG
BB ! 7 0#23/.0&0 DH CG CG D& CE DB DB CG C8 D& I
B& 7 7 //5#.0 BCE BCC BCC BC6 BCB BCF BCC BCG BCC BCE B6E
BC 8 7 0(.5#)&2# B&H B&C B&& B&H B&& B&D BB8 B&F B&C BB8 BCG
BD 7 7 #$&’()# BCE BCD BCD BCE BC& BCE BC& BDH BCD BCE B6E
B6 7 7 %)#2,/#,# B6C B6B B6B B6C BDG B6C BDD B6F B6B B6& BEB
BE ! 7 /(.5#,# B6 B8 BG &H &E &B BF &F &8 &B DE
BF ! 7 #)2/.,3(&9/0 && BG &H &H &8 &F &C &G CH &6 DF
B8 ! 7 -#)/&.&& &D &D &C &E &E &F &B &G &G &E DE
BG ! 7 3&01&9# &B &B && &6 &6 &E B8 &8 &F &6 D6
&H ! 7 5)#2&&0 B6 B8 BG &H &E &C BG &F &8 && DE
&B ! 7 23&./.0&0 &H BG B8 && BE BF BF BG &H &C DH
B& BC BD B6 BE BF B8 BG &H &B
B ! 7 #$# H7&CDH8 H7&BEEB H7&C&D8 H7&EB6D H7H&6EB H7HCFEB H7HDBHC H7HC6GH H7H&6ED H7HCDBG
& ! 7 #%&’()*+ H7&&8G& H7&&&H& H7&&GHE H7&68B& H7HCHFF H7HC&6 H7HDBHC H7HC6GH H7HCHFF H7HC&D8
C ! 7 ,#-#+#-#./.0&0 H7&&8G& H7&&H&& H7&&GHE H7&68B& H7HC&D8 H7HCDBG H7HCGC& H7HCFE6 H7HC&D8 H7HCHFF
D ! 7 /1,(0,02340 H7&C&CE H7&BEEB H7&C&D8 H7&EB6D H7HCDBG H7HDDDD H7HD&F H7HCDBG H7HCFEB H7H&FC6
6 ! 7 )#+(0&00&+# H7&&6DF H7&&H&& H7&&6ED H7&6DFH H7HDDDD H7HDF8E H7HDDDD H7HD&FD H7HDDDD H7H&FC6
E ! 7 5#.0*/.0&0 H7&C68H H7&&C8C H7&C&D8 H7&EB6D H7HC6GH H7HDEB6 H7HDEB6 H7HDDDD H7HCGC& H7H&GHE
F ! 7 3(3/.#2-/)& H7&&8G& H7&BCHH H7&&6ED H7&DEB6 H7H&GHE H7HCGC& H7HC6GH H7HCHFF H7HC&D8 H7H&GHE
8 ! 7 #*0,)(+(.5(&2# H7HEEEF H7&CG&D H7&&G&D H7&CGC& H7&E8C8 H7HDG6F H7HDG6F H7HDF8E H7HDEB6 H7HC&D8
G ! 7 01 H7&&GCB H7&&&D& H7&&GD6 H7&686E H7HDFG6 H7H6BCF H7HDGEE H7HDE&C H7HDFG6 H7HCD&6
BH ! 7 1#)6&’(&# H7&CDH8 H7&B&EB H7&C&H8 H7&6GCG H7HC6GH H7HD&FD H7HDDDD H7HD&FD H7HCFEB H7HCGC&
BB ! 7 0#23/.0&0 H7&E8GF H7&6HGH H7&EFB& H7&F6E8 H7HF8EC H7H8HCD H7HF8EC H7HFEG& H7HF8EC H7HE8C8
B& 7 7 //5#.0 I H7&F8F8 H7HF68G H7BHBB8 H7&6B&G H7&6CHB H7&DEBC H7&DG6F H7&6B&G H7&D&EG
BC 8 7 0(.5#)&2# B66 I H7&F&FC H7&GDB& H7&CDEE H7&DF&G H7&DB88 H7&DB88 H7&DHHF H7&C&86
BD 7 7 #$&’()# D6 B6C I H7HCDFB H7&DF8E H7&6B&8 H7&DF8E H7&DG6F H7&6B&8 H7&D&FD
B6 7 7 %)#2,/#,# EH BE6 &B I H7&6B&8 H7&6DFH H7&6B&8 H7&6&GG H7&6DFH H7&DEB6
BE ! 7 /(.5#,# BDE BCH BD6 BDF I H7H&&B8 H7H&6EH H7H&HD8 H7HBH&D H7H&C8G
BF ! 7 #)2/.,3(&9/0 BDF BCF BDF BDG BC I H7H&HD8 H7HB6CE H7HBBG6 H7H&HD8
B8 ! 7 -#)/&.&& BDC BCD BD6 BDF B6 B& I H7HHE8C H7HB6CE H7H&&B8
BG ! 7 3&01&9# BD6 BCD BDE BD8 B& G D I H7HBH&D H7HBFHE
&H ! 7 5)#2&&0 BDE BCC BDF BDG E F G E I H7HBFHE
&B ! 7 23&./.0&0 BDB B&G BD& BDD BD B& BC BH BH I
!’! #$%序列的系统发育分析
根据测序结果,将 3!4 I B,678 4 )9:;和 3!4 I &作为一个共同数据矩阵进行简约性分
析,当用 8/#*+*)&# 0(.5#)&2# 做外类群,,5 做第五碱基( 2(2.? +..%)处理,其总步长为
DEE步,一致性指数 :; J H7868D,保持性指数 8; J H78E&&。简约树及各分枝长度和自展分
F8&C期 华 丽等:中国柽柳属和水柏枝属的分子系统学研究
析支持强度如图 !所示。当 #$处理为数据缺失(%&’’&()时,用分枝界限法()*+(, #(,
)-#(./)寻找得到唯一同等最简约树。
! 分析与讨论
!# 秀丽水柏枝(! 0 #$%&’)的系统学位置
关于秀丽水柏枝的分类地位一直存在争议,曾被归入柽柳属或水柏枝属。由图 !可看
出,柽柳属植物具 !112的强支持率而聚为一类;水柏枝属植物(包括秀丽水柏枝)形成
单一分支得到 !112支持率而聚在一起。秀丽水柏枝 345的序列长度为 6!1 7$,介于柽柳
属和水柏枝属之间;其 8 9 :含量为 6;2,介于柽柳属(<;2)和水柏枝属(6!2)之
间;从序列间的遗传距离看,秀丽水柏枝与水柏枝的另外两个种的种间遗传距离为
=06>?2 @ !10!!>2(表 ;),也没有超过属内种间的变异范围 !0;2 @ !10;2(向建英等,
;11;)。因此,笔者认为秀丽水柏枝不应从水柏枝属中分出,故不应另立新属。
!$ 个别疑难种的分子证据
白花柽柳与长穗柽柳的 345序列相差 66个碱基,所以可认为白花柽柳与长穗柽柳不
仅花色不同,也不能作为异名处理,结合形态学和分类学的数据,认为白花柽柳,是一个
自然的种。短毛柽柳与刚毛柽柳的 345序列的长度、8 9 :含量几乎无差别,345序列仅相
差 A个碱基,该两种在系统树上聚成一支,且有 ?12的支持强度,相对遗传距离仅为
10=2,远小于被子植物中物种的 345变异度 !0;2 @ !10;2的范围。这说明,短毛柽柳是
一个自然种,且系统学关系与刚毛柽柳很近。甘蒙柽柳与多枝柽柳、中国柽柳的 345序列
相差很大,结合 345序列的长度、8 9 :含量、构建的简约系统树及相对遗传距离可以看
出:甘蒙柽柳不是多枝柽柳或中国柽柳的异名,甘蒙柽柳是一独立种。采集于中国科学院
吐鲁番沙漠植物园中的 !#$%& ’$B 原有性状的描述,结合 345分子证据并不能确定种的
类型,尚需结合其它资料进行研究。综上分析:345序列分析为白花柽柳、短毛柽柳、甘
蒙柽柳的疑难种的划分提供了本质基础。
〔参 考 文 献〕
张鹏云,张耀甲,!??1 B 柽柳科 B 中国植物志(61卷 ;分册)[C]B 北京:科学出版社
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>>; 云 南 植 物 研 究 ;<卷
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)*L?期 华 丽等:中国柽柳属和水柏枝属的分子系统学研究