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Phylogeographical Study on Eriophyton wallichii (Labiatae) from Alpine Scree of QinghaiTibetan Plateau

青藏高原高山流石滩特有植物绵参的谱系地理学研究



全 文 :青藏高原高山流石滩特有植物绵参的谱系地理学研究*
王晓雄1,2, 乐霁培2**, 孙摇 航2, 李志敏1***
(1 云南师范大学生命科学学院, 云南 昆明摇 650092; 2 中国科学院昆明植物研究所
生物多样性与生物地理学重点实验室, 云南 昆明摇 650201)
摘要: 绵参 (Eriophyton wallichii) 是中国青藏高原地区高山流石滩特有植物。 为探讨第四纪冰期气候波动
对青藏高原高山流石滩植物居群遗传结构以及谱系历史的影响, 检测了绵参 20 个居群 187 个个体的核糖
体内转录间隔区 ( ITS) 的序列变异, 共发现 19 个单倍型, 且结果表明大部分居群拥有独自的单倍型。
AMOVA分析表明, 居群间的变异占了总变异量的 89. 54% , 居群遗传分化指数很高 (GST = 0. 863, NST =
0. 957), 但无明显的谱系结构。 我们推测这种独特的谱系地理结构可能主要是由于高山流石滩独特的地
形和环境及 “孤岛效应冶 形成的, 与先前研究过的青藏高原植物不同, 绵参呈现出高度分化的遗传结构,
常常呈现出 “一个居群, 一种单倍型冶 的模式, 这可能是由于第四纪冰期及间冰期尽管绵参的分布范围
有扩大和收缩, 但始终由于特殊的高山生境和流石滩基质, 导致了该物种长期以来居群间很少有基因交流
并一直处于隔离状态, 造成了现在这样的谱系地理结构。
关键词: 青藏高原; 高山流石滩; 绵参; 谱系地理学; ITS
中图分类号: Q 948摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 文献标识码: A摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号: 2095-0845(2011)06-605-10
Phylogeographical Study on Eriophyton wallichii (Labiatae)
from Alpine Scree of Qinghai鄄Tibetan Plateau
WANG Xiao鄄Xiong1,2, YUE Ji鄄Pei2**, SUN Hang2, LI Zhi鄄Min1***
(1 School of Life Science, Yunnan Normal University, Kunming 650092, China; 2 Key Laboratory of Biodiversity and
Biogeography, Kunming Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650201, China)
Abstract: In this study, we examined the nuclear ribosomal DNA internal transcribed spacer ( ITS) sequence varia鄄
tion of Eriophyton wallichii, a perennial endemic to alpine scree of the Qinghai鄄Tibetan Plateau. Nineteen haplotypes
were detected by analyzing 187 individuals from 20 populations of E. wallichii. Most populations hold the unique
haplotype, which showed different population with different haplotype. An analysis of molecular variance (AMOVA)
for populations showed that the genetic variation mainly resided among populations (89. 54% ), the level of differen鄄
tiation among populations was very high (GST =0. 863; NST =0. 957) but didn爷t show a significant phylogeographical
structure. It is different from foregoing other species reported in Qinghai鄄Tibetan Plateau that the haplotypes of E.
wallichii showed a distribution pattern that almost one population hold one unique haplotype, hardly share same halo鄄
type among populations. We hypothesized the unique genetic structure of E. wallichii might result from allopatric
fragmentation in the “islands of alpine冶 due to the extremely isolated alpine scree and rough topography of the re鄄
gion, through the Quaternary climate oscillation dramatically caused population expanding or shrinking.
Key words: Qinghai鄄Tibetan Plateau; Alpine scree; Eriophyton wallichii; Phylogeography; ITS
植 物 分 类 与 资 源 学 报摇 2011, 33 (6): 605 ~ 614
Plant Diversity and Resources摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 DOI: 10. 3724 / SP. J. 1143. 2011. 11082
*
**
***
基金项目: 云南省自然科学基金重点项目 (2008CC013); 国家自然科学基金重点项目 (40930209)
与第一作者同等贡献
通讯作者: Author for correspondence; E鄄mail: lizhimin_vip@ 163. com
收稿日期: 2011-05-09, 2011-07-07 接受发表
作者简介: 王晓雄 (1984-) 男, 在读硕士研究生, 主要从事植物谱系地理学研究。
摇 近年来对中国喜马拉雅地区及青藏高原的
植物类群开展的谱系地理学研究已取得了较大进
展, 对了解青藏高原隆升以及第四纪冰期对其植
物多样性的形成及分布格局的影响提供了重要的
证据, 归纳起来有 2 种类型。 一是在第四纪冰期
一些植物类群如祁连圆柏 (Juniperus przewalskii)
(Zhang等, 2005)、 云南红豆杉 (Taxus wallichi鄄
ana) (Gao等, 2007)、 青海云杉 (Picea crassifo鄄
lia) (Meng 等, 2007)、 长花马先蒿 (Pedicularis
longiflora) ( Yang 等, 2008 )、 条纹狭蕊龙胆
(Metagentiana striata) (Chen 等, 2008), 瑞香狼
毒 (Stellera chamajasmae) (Zhang等, 2010), 从
气候寒冷的高海拔或高原面向高原东部及东南部
海拔较低的地区转移, 在此得以存留和发展, 因
而保存了较多的单倍型和较高的遗传多样性。 在
间冰期以及冰后期气候回暖时, 植物从高原边缘
避难所向高原面或腹地回迁, 因受奠基者效应及
瓶颈效应影响, 仅部分单倍型得以在高原面或高
原腹地上固定下来, 形成现今高原面上的居群单
倍型较单一, 遗传多样性也较低, 而在高原边缘
海拔较低地区的居群遗传多样性较高, 单倍型也
较为多样的格局。 第二种情况以露蕊乌头 (Aco鄄
nitum gymnandrum) (Wang 等, 2009a)、 银露梅
(Potentilla glabra) (Wang等, 2009b)、 西川红景
天 (Rhodiola alsia) (Gao 等, 2009)、 西藏圆柏
(Juniperus tibetica) (Opgenoorth等, 2010)、 金露
梅 (Potentilla fruticosa) (Li 等, 2010)、 偏花报
春 (Primula secudiflora) (Wang等, 2008)、 海仙
报春 (Primula poissonii) (宋敏舒等, 2011) 为
代表, 这些植物类群在冰期时, 并非所有居群都
向高原边缘低海拔地区转移, 有部分居群在高原
台面局部地区存留和发展, 保留了较多的古老单
倍型和遗传多样性, 在间冰期及冰后期气候回暖
时, 植物从高原面上的原生地避难所向周边扩散
发展, 形成现今高原面上部分地区拥有较高遗传
多样性以及较多的单倍型格局。 因此, 与高原复
杂的地质历史以及气候条件对应, 高原上不同的
植物类群也相应的具有复杂多样的进化历史。
迄今为止, 针对中国喜马拉雅地区和青藏高
原植物的谱系地理学研究, 都是以森林以及高山
草甸植被带的类群为主开展的, 而最极端环境的
高山流石滩生态系统中的植物类群的谱系地理学
研究, 到目前为止还未见报道。 高山流石滩或称
高山冰缘带是指分布海拔一般在 (3 900 ~ ) 4 200
~ 5 200 m, 与冰雪带相邻接的生态系统, 是陆
地植物多样性分布的海拔最高的极限环境 (吴征
镒和朱彦成, 1985; Mani, 1980)。 这里年均气
温、 积温极低, 昼夜温差极大, 强风和日照辐射
强烈, 由于冰川的剧烈作用及寒冻强烈风化, 地
表岩石剥落成大小不等的砾石, 石隙中有少量的
土壤, 基质贫瘠等, 植物生长周期极其短暂, 也
最为独特, 是环境条件最为恶劣的高山生态系统
(李渤生等, 1981; 刘伦辉等, 1984)。 由于高山
冰缘带紧靠高山永久雪线, 环境条件恶劣是高等
植物生存的极限, 且特有性极高, 是一个自然和
相对独立的特殊生态系统。 此外由于大部分高山
山峰彼此间是独立的似 “岛状冶, 相应的冰缘植
被带也呈现出了 “岛状冶, 而使得高山冰缘带的
植物区系大部分处于 “隔离冶 或 “岛屿冶 分布
状态。 在这样极端严酷和高选择压力的环境中,
植物种类所表现出来的遗传和谱系地理结构以及
第四纪冰期影响, 无疑对探讨极端环境下植物多
样性的形成分化, 全面了解高原植物区系的演化
有重要的意义。
因此, 本研究选择中国喜马拉雅高山流石滩
生境分布的唇形科 (Labiatae) 特有的单型属绵
参属 (Eriophyton) 为研究对象。 绵参 (Eriophy鄄
ton wallichii) 是典型的异花授粉的多年生草本植
物 (吴征镒和李锡文, 1977), 生于海拔 2 700 ~
5 030 m的高山流石滩; 主要分布于青藏高原鄄横
断山以及印度、 尼泊尔等高山流石滩。 研究中,
我们选取了核糖体 ( nrDNA) 内转录间隔区
(ITS) 的片段进行测序分析。 ITS 片段由于进化
速率较快, 测序难度较小的特点常常被用于较低
分类阶元的系统发育关系研究, 近年来也较多的
被应用于推测物种谱系历史的研究 ( Collevatti
等, 2009; Koch等, 2006; 刘腾靓, 2009; 段义忠
等, 2010)。 因此本研究希望能揭示该种植物单
倍型的地理分布式样、 居群遗传结构等, 进而推
测其可能的谱系历史、 第四纪冰期对其的影响。
1摇 材料和方法
1. 1摇 实验材料
研究材料采自云南西北部、 四川西部、 青海和西
606摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 植 物 分 类 与 资 源 学 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 第 33 卷
藏, 覆盖了该种主要的分布区。 按居群采样标准对绵参
所处地理分布范围进行取样, 即每个居群随机采样 6 ~
10个个体, 每个居群内采样个体之间至少间隔 10 m, 共
取得绵参 20 个居群 187 个个体 (表 1)。 野外采集生长
良好, 无病斑的幼叶, 用硅胶快速干燥后带回实验室。
凭证标本存于中国科学院昆明植物研究所标本馆
(KUN)。
1. 2摇 DNA提取和 PCR扩增
采用改进的 CTAB法 (Doyle和 Doyle, 1987) 从硅胶
干燥的叶片中提取总 DNA, 用 ITS4 和 ITS5 通用引物
(White等, 1990) 对 nrDNA 的 ITS 片段进行 PCR 扩增。
PCR反应体系在 20 滋L体积中进行, 包括模板 DNA 10 ~
40 ng, 1. 8 滋L 10伊PCR 反应缓冲液, 1. 4 滋L MgCl2 (25
mmol·L-1), 1. 6 滋L dNTP混合液 (10 mmol·L-1), 正反
引物各 1 滋L (10 滋mol·L-1), Taq DNA聚合酶 0. 5 单位。
反应程序如下: 先于 94益条件下变性 4 min, 接着以
94益 1 min, 55益 1 min, 72益 1 min, 循环 35 次, 最后
在 72益条件下延伸 7 min。 扩增得到的 PCR 产物在 1%
的琼脂糖胶上电泳检测, 使用 BIOTEKE 公司小量 PCR
产物纯化试剂盒依照说明书进行纯化, 最后在 ABI 3700
DNA analysis system测序仪上测序。
1. 3摇 数据分析
对 187 个个体的 PCR 扩增片段的全序列测序, 用
CLUSTAL_X 1. 81 (Thompson等, 1997) 软件对测定的序
列进行对位排列, 并加以手工校对。 用 DnaSP 4. 0 (Ro鄄
zas等, 2003) 程序确定 nrDNA单倍型。 根据每个居群内
不同单倍型的个体数目和总的个体数来计算单倍型频
率, 然后基于每个居群的单倍型组成、 不同单倍型在每
个居群的个体数目和单倍型序列变异位点, 分别计算它
们的遗传多样性 HS和 HT (分别为居群内和居群间平均
遗传多样性) 以及居群遗传分化 GST和 NST值 (Raymond
和 Rousset, 1995), 依照 Pons 和 Petit (1996) 所描述的
方法, 用 PERMUT软件计算。 居群间的 NST值用 1 000 次
置换进行置换检验。
应用 ARLEQUIN 软件包 version 3. 01 (Excoffier 等,
2006) 中的 AMOVA (Analysis of Molecular Variance) 分
析方法分别检测材料在分布区中居群内和居群间的遗传
变异水平, 以及单倍型分布的 FST评价 (Weir 和 Cocker鄄
ham, 1984), 以进一步分析居群的分化程度 (1 000 次置
换检验)。 同时, 利用 ARLEQUIN 软件包中的 Mantel 统
计学检验 (Mantel, 1967), 分别比较绵参居群平均遗传
距离与地理距离 (经纬度) 之间的相关性 (r值表示这
表 1摇 绵参 20 个居群材料来源及 nrDNA ITS单倍型 (H1鄄H19) 的遗传多样性 (Hd) 组成和频率
Table 1摇 Origin of materials, measurements of haplotypes diversity (Hd) and composition / frequency
from nrDNA haplotypes (H1鄄H19) in 20 populations of Eirophyton wallichii
编号
No. 摇 摇 采集地 Locality
代码
code
个体数
No.
纬度
Latitude
(N)
经度
Longitude
(E)
海拔
Altitude
/ m
单倍型组成
Haplotype
composition
单倍型多
样指数
Hd
核苷酸多
样性指数

1 云南中甸 Zhongdian, YN ZhD 10 28毅35忆 99毅50忆 4 450 H15(10) 0 0
2 云南德钦 Deqin, YN DQ 10 28毅20忆 99毅04忆 4 604 H4(10) 0 0
3 四川乡城 Xiangcheng, SC XC 10 29毅06忆 100毅01忆 4 790 H16(4); H17(6) 0. 533(0. 095) 0. 00359
4 四川理塘 Litang, SC LT 10 30毅10忆 99毅59忆 4 420 H10(10) 0 0
5 四川雅江 Yajiang, SC YJ 10 30毅00忆 100毅51忆 4 405 H12(10) 0 0
6 四川九龙 Jiulong, SC JiuL 10 29毅19忆 101毅29忆 4 581 H11(4); H12(6) 0. 533(0. 095) 0. 00359
7 西藏左贡 Zuogong, XZ ZG 10 29毅43忆 98毅03忆 5 028 H18(10) 0 0
8 西藏昌都 Changdu, XZ CD 8 31毅18忆 97毅32忆 4 820 H6(8) 0 0
9 西藏类乌齐 Leiwuqi, XZ LWQ 10 31毅19忆 96毅30忆 3 965 H7(2); H8(8) 0. 356(0. 16) 0. 0006
10 西藏加查 Jiacha, XZ JC 9 29毅02忆 92毅21忆 4 832 H14(9) 0 0
11 西藏错那 Cuona, XZ CN 7 27毅58忆 92毅01忆 4 478 H9(7) 0 0
12 西藏当雄 Dangxiong, XZ DX 8 30毅36忆 91毅06忆 4 856 H2(8) 0 0
13 西藏南木林 Nanmulin, XZ NML 10 29毅15忆 87毅11忆 4 370 H13(10) 0 0
14 西藏聂拉木 Nielamu, XZ NLM 9 28毅02忆 85毅57忆 4 199 H19(9) 0 0
15 西藏吉隆 Jilong, XZ JL 10 28毅33忆 85毅17忆 4 275 H1(10) 0 0
16 青海称多 Chengduo, QH ChD 9 33毅19忆 97毅14忆 4 509 H19(9) 0 0
17 青海玉树 Yushu, QH YS 8 32毅45忆 97毅12忆 4 375 H19(8) 0 0
18 青海杂多 Zaduo, QH ZaD 9 32毅57忆 97毅11忆 4 760 H19(9) 0 0
19 青海曲麻莱 Qumalai, QH QML 10 34毅09忆 95毅56忆 4 820 H19(10) 0 0
20 四川得荣 Derong, SC DR 10 28毅48忆 99毅12忆 4 300 H3(8); H5(2) 0. 356(0. 16) 0. 0006
合计 187 0. 908(0. 01) 0. 016
7066 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王晓雄等: 青藏高原高山流石滩特有植物绵参的谱系地理学研究摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
两个矩阵间的相关性系数), 并进行 10 000 次重复的显
著性检验 (Smouse 等, 1986)。 以近缘种假糙苏 (Para鄄
phlomis javanica) 作为外类群 (Scheen 等, 2010), 应用
Network 4. 2. 0. 1 (Forster 等, 2004) 对绵参 20 个居群的
ITS进行基于简约性原则的中间连接网法分析 (Median鄄
joining networks) (Bandelt 等, 1999), 构建单倍型网状
图。 同时, 采用 PAUP* 4. 0b10 (Swofford, 2003) 软件以
最大简约性分析法 (maximum parsimony, MP) 分析各单
倍型的系统发育关系。 分析时所有空位 (gap) 作为缺失
处理, 采用启发式搜索, 1 000 次随机加入序列, TBR
枝长交换, 每步保留 10 棵树。 得到的一致性系统树分支
的可靠性使用 “靴带冶 (Bootstrap) 分析, 用 1 000 次重
复来检验单倍型各分支的支持率值。
物种水平上的居群间的平均基因流 (Nm)、 单倍型多
样性指数 (Hd)、 核苷酸多样性指数 (仔) (Nei, 1987) 以及
Tajima爷s D (Tajima, 1989) 以及 Fu 和 Li爷s D* (Fu 和 Li,
1993) 两种无限突变位点模型的中性检验方法检测及失配
分析, 又称歧点分布 (Mismatch distribution) 分析 (Rog鄄
ers和 Harpending, 1992) 都在 DnaSP 4. 0 程序中完成。
2摇 结果
2. 1摇 序列变异
对 20 个居群 187 个个体进行了核糖体 DNA
ITS片段的全序列测定, 通过排序发现, ITS 片
段长度为 596 bp, 共检测到 19 个单倍型 (H1-
H19) (表 2), 所有单倍型序列都提交到 Gen鄄
Bank, 序列号为 (JN176157-JN176176)。
2. 2摇 多样性指数、 遗传结构分析及失配分析
在绵参的 20 个居群总的单倍型多样性指数
Hd为 0. 908 (0. 01), 核苷酸多样性指数 仔 为
0. 016。 其中单倍型 H19 的频率最高, 有 45 个
个体拥有此单倍型。 每个居群的遗传多样性
(Hd)、 单倍型数量、 单倍型组成及频率见表 1,
单倍型的地理分布情况见图 1。
通过 PERMUT程序计算得出绵参居群内平均
遗传多样性HS值、 总的遗传多样性HT值、 居群间
遗传分化 GST和 NST 值分别为: 0. 134 (0. 0464)、
0. 979 (0. 0199)、 0. 863 (0. 0466)和0. 957 (0. 0171)。
利用 U鄄统计方法对绵参整个分布区单倍型变异的
地理结构进行检验后发现 NST大于 GST但不显著
(U=2. 77), 表明在绵参分布范围内, 居群间的遗
传分化水平很高 (GST = 0. 863), 但各居群间并无
明显的谱系地理学结构。 分子变异分析 (AMO鄄
VA) 的结果表明, 居群间的遗传变异为 89. 54% ,
图 1摇 绵参 20 个居群中检测出 19 个 ITS单倍型的地理分布图
Fig. 1摇 The geographic distribution of ITS haplotypes (H1鄄H19) detected in 20 populations of Eriophyton wallichii.
The pie chart shows the proportions of haplotypes within each population
806摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 植 物 分 类 与 资 源 学 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 第 33 卷
表 2摇 绵参核糖体 ITS片段 19 个单倍型间的序列变异位点, 圆点 ( . ) 表示与第一行单倍型相同, ‘-爷 表示排序空位
Table 2摇 Variable sites of the aligned sequences of nuclear ribosomal DNA fragments in 19 haplotypes of E. wallichii.
Dot ( . ) indicates that the character states are the same as Haplotype 1, ‘-爷 indicates alignment gap
单倍型
Haplotype
1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 3 3 4 4 4 4 4
1 1 1 3 4 4 4 5 5 6 6 6 6 7 9 3 4 4 5 6 6 8 9 9 0 5 9 9 0 0 2 2 3
4 5 9 9 0 1 3 5 6 1 2 5 8 0 0 3 4 5 6 2 6 7 2 3 0 6 0 4 3 8 8 9 0
Hap_1 T C C G A A G A C A G A G G C G G G G G G G G C - C A G T A T G G
Hap_2 A A . . G G . G . C A G . A . . . . A . . . . T G T . . . C G . .
Hap_3 A A . . G G . G . C A G . . . . . . A . . . . . - . . . . C G . .
Hap_4 A A . . G G . G . C A G . . . . . . A . . . . . - T . . . C G . .
Hap_5 A A . . G G . G . C A G . . . . . . A . . . . . - . . . . C G . .
Hap_6 . . - . G C . . . C A G . . . A . . . . . . . C G . . . . C G . .
Hap_7 A A . . G G . G . C A G . . . . . . . . . . . C - . . . A C - - -
Hap_8 A A . . G G . G . C A G . . . . . . . . . . . C - . . . A C G . .
Hap_9 . . . T G C A . . C A G . A . . . . . . . A . C G . T . . C G . .
Hap_10 . . . . G C . . T C A G . . . . A . . . . . . C G . . A . C G A .
Hap_11 . . . . G C . . . C A G . . . . . T . A . . . C - . . . . C G . .
Hap_12 . . . . G C . . . C A G . . . . . . . A . . . C - . . . . C G . .
Hap_13 . . . . G C . . . C A G A . T . . . . . . . A C G . . . . C G . .
Hap_14 . . . . G C . . . C A G . . . . . . . . A . . C G . . . . C G . .
Hap_15 . . . . G C . . . C A G . . . . . . . . . . . C G . . . . C G . .
Hap_16 . . . . G C . . . C A G . . . . . . . . . . . C G . . . . C G . .
Hap_17 . . . . G C . . . C A G . . . . . . . . . . . C G . . . . C - - -
Hap_18 . . . . G . . . . C A G . . . . . . . . . . . C - . . . C C G . .
Hap_19 . . . . G . . . . C A G . . . . . . . . . . . C - . . . . C G . .
单倍型
Haplotype
4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
3 3 3 5 9 9 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 6 7 9
1 2 8 3 3 5 3 4 5 6 7 8 9 2 3 5 7 1 2 3 1 5 6 8 0 1 3 7 2 6 9 3 7 4
Hap_1 A G T C A G G C A C A A G C G G G G T G T G C G A G G C C T G C G G
Hap_2 . . G . G A . . G . G . . . A A . . C . . A . A G . . . . . . . . A
Hap_3 . . G . G A - - - - - - . A . . . . C . . A . A G . . . . . . . . .
Hap_4 . . G . G A - - - - - - . . . . . . C . . A . A G . . . . . . . . .
Hap_5 . . G . G A . . G . G . . . . . . . C . . A . A G . . . . . . . . .
Hap_6 . T G A G A . . G . G . A . . . . . C A . . . . G . . . . . A . . .
Hap_7 - - G . G . . . G . . . . . . . A A C . . . . . . . A G . . . . . .
Hap_8 . . G . G . . . G . . . . . . . A . C . . . . . . . A G . . . . . .
Hap_9 . . G . G . . . G . . . . . . . . . C . . T . . G . . . . . . . . .
Hap_10 . . G . G . . . G . . . . . . . A . C . . . . . G . A . . . . . . .
Hap_11 . . G . G A . . G . . . . . . . . . C A . . . . . . A . . A . . . .
Hap_12 . . G . G A . . G . . . . . . . . . C A . A T . G . A . . A . . . .
Hap_13 . . G . G . . . G . . . . . . . . . C . . . . . C A A . T . . . . .
Hap_14 . . G . G . . . G . . . . . . . . . C A . . . . G . A . . . . . . .
Hap_15 . . G . G . . . G . . . . . . . . . C A . . . . G . A . . . . . . .
Hap_16 . . G . G . . . G . . . . . . . . . C . . . . . G . A . . . . A T .
Hap_17 - - G . G . . . G . . . . . . . . . C . . . . . G . A . . . . A T .
Hap_18 . . G . G . . . G . . . . . . . . . C . C T . . G . . . . . . . . .
Hap_19 . . G . G . . . G . . . . . . . . . C . C T . . G . . . . . . . . .
而居群内的遗传变异为 10. 46% , FST = 0. 895
(表 3), 进一步揭示了绵参的遗传变异主要存在
于居群间, 而且具有较高的居群分化水平。 此
外, Mantel test 统计学检验比较了 20 个居群地
理距离矩阵与平均遗传距离矩阵之间的相关性,
结果显示相关性系数 r=0. 18, P = 0. 06。 说明两
9066 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王晓雄等: 青藏高原高山流石滩特有植物绵参的谱系地理学研究摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
者有一定的相关性, 但相关性很低。 说明绵参各
居群间没有很明显的表现出 Isolation by Distance
(IBD) 的扩散特征。
表 3摇 所有单倍型的 AMOVA分析
Table 3摇 Analyses of molecular variance (AMOVA) for all haplotypes
变异来源
Source of variation
自由度
df
方差
SS
变异成分
VC
变异比例
Variation
/ %
居群间
Among population 19 78. 279 0. 42456 Va 89. 54
居群内
Within population 172 8. 533 0. 4961 Vb 10. 46
总计 Total 191 86. 812 0. 47417
固定指数
Fixation index FST
0. 895
通过 DnaSP 4. 0 程序在种的水平上对核糖体
DNA进行失配分析, 得到的失配曲线为多峰曲
线 (图 2), 背离了对快速扩张模型的假设, 这
个结果在两种基于无限位点非重组模型的中性检
验 (Tajima爷s D = -0. 19425 (P>0. 10)、 Fu and
Li爷s D= 2. 39723 (P>0. 05) 中得到了支持, 表
明绵参居群没有经历过近期的扩张。
图 2摇 绵参所有个体核糖体 DNA片段数据的失配分析
Exp: 期望值; Obs: 观测值
Fig. 2摇 Mismatch distribution for sequences data of nrDNA fragment
from all individuals of E. wallichii. The thin represents the
expectation; The dotted line represents the observed value
2. 3摇 各单倍型之间的系统关系
用 Network 分析得到了各单倍型网状关系
(图 3), 发现除少数几个单倍型以较少的突变步
数直接联系外, 大多数单倍型相隔较远。 通过众
多的 ‘隐单倍型爷 (可能为未检测出的单倍型或
是已绝灭的古老单倍型) 相连, 表明现存的各个
图 3摇 绵参 19 个 ITS单倍型的中间连接网状图, 各单倍型的饼图大小对应单倍型频率, 所有突变步数均已标出,
黑色圆点表示可能未检测出的单倍型或是已绝灭的古老单倍型
Fig. 3摇 Median鄄joining network of 19 ITS haplotypes of E. wallichii. Circumference size is proportional to the haplotype frequency.
All mutations are marked in the network, black dots represents possible unsampled haplotypes or extinct ancestral haplotypes
016摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 植 物 分 类 与 资 源 学 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 第 33 卷
单倍型具有相对较长的独立发育历史。 而各个
‘隐单倍型爷 之间呈现复杂的 ‘loop爷 网状结构,
提示该种植物历史上可能有非常频繁的基因重组
事件。 PAUP最大简约性 (MP) 分析, 得到严格
一致性树 (图 4)。 其中聚在一起且得到较高
‘Bootstrap爷 支持率的单倍型关系与 Network 分
析得到的结果一致, 如在系统树上聚为一枝的出
自得荣居群的单倍型 H3、 H5 以及出自德钦的
H4 和当雄的 H2, 在网状图中也以最短的变异步
数连在一起, 此外来自同一居群的两种单倍型如
类乌齐的 H7、 H8 以及乡城的 H16、 H17, 在系
统树上和网状图上都呈现出最为相近的关系。 而
在系统树上聚为一枝的九龙居群单倍型 H11 以
及九龙和雅江共享单倍型 H12, 在网状图中没有
直接相连, 各以两步突变与一个 ‘隐单倍型爷
连接, 表明二者具有各自独立的进化历史。
图 4摇 绵参 19 种单倍型 (H1鄄H19) 的 1 棵最大简约 (MP) 树,
分支上的数字表示简约性分析 1 000 次重复得到的靴带分析
支持率 (BS), 单倍型的地理分布情况标在各单倍型后
Fig. 4摇 The most parsimonious (MP) tree based on nineteen nrDNA
haplotypes (H1鄄H19) of E. wallichii, numbers above the branches
indicate MP bootstrap values (BS) based on 1 000 replicates, and
geographical distribution of each haplotype was marked out respectively
3摇 讨论
3. 1摇 绵参核糖体 DNA遗传多样性和居群结构
上述分析表明绵参的核糖体 ITS 片段总的遗
传多样性水平较高, HT =0. 979 (0. 0199)。 远较
叶绿体片段标记的青藏高原的其它植物高, 诸如
条纹狭蕊龙胆 (0. 558) (Chen 等, 2008); 长花
马先蒿 (0.77) (Yang等, 2008); 露蕊乌头 (0. 739)
(Wang等, 2009a); 银露梅 (0. 82) (Wang 等,
2009b); 以及裸子植物祁连圆柏 (0. 568) (Zhang
等, 2005); 云南红豆杉 (0.749) (Gao等, 2007)
和青海云杉 (0. 254) (Meng 等, 2007)。 相反,
其居群内的平均遗传多样性 Hs 则显著小于上述
几种植物, Hs=0. 134 (0. 0464)。 低 Hs 与高 HT
表明绵参核糖体基因组在居群之间分化明显, 且
在绝大多数居群中单倍型较单一。 在 20 个居群
中, 其中 11 个居群每个居群只含有一种单独的
单倍型, 有 5 个居群共享一个单倍型, 此外 4 个
居群的单倍型表现出多态性 (表 1)。
居群间的强烈遗传分化也得到来自 AMOVA
分析的支持。 AMOVA分析表明: 绵参 20 个居群
的nrDNA遗传变异中, 居群间变异为89.54%, 而居
群内变异仅为 10. 46% (表 3)。 虽然绵参核糖体
DNA在居群间的分化明显, 但是 PERMUT 分析
表明各居群间并无明显的谱系地理学结构。
高山流石滩位于自然树线与永久雪线之间, 对
于绝大多数生物来说, 高山流石滩是陆地生态系统
中生物分布的上限。 绵参的所有生境仅限于高山流
石滩, 在这样极端的特殊生境中, 绵参的遗传结构
与其分布的特殊生境密切相关。 青藏高原高山流
石滩呈现出的孤立的 “岛屿冶 状生境, 造成了
绵参居群间的地理或生境隔离, 另外较低的种子
长距离扩散能力, 限制了居群间的基因交流, 因
此绵参居群间存在着高度的遗传变异和分化。
3. 2摇 绵参居群的遗传结构演化
人们普遍认为, 在第四纪冰期, 气候波动对
生物区系的分布造成了巨大的影响 (Dynesius 和
Jansson, 2000), 由此可能导致居群的分化、 迁
移或灭绝 (Taberlet等, 1998), 甚至加快物种的
进化速率 ( Hewitt, 2000; Comes 和 Kadereit,
1998)。 如 Qiu 等 (2011) 所述, 基于现有的青
藏高原谱系地理学研究结果分析, 青藏高原植物
的谱系历史大致可以分为两种情况。 一是一种植
1166 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王晓雄等: 青藏高原高山流石滩特有植物绵参的谱系地理学研究摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
物类群遵循 “冰期生境收缩, 冰期后扩张冶 模
式 (Hewitt, 2000), 高原边缘低海拔地区以及横
断山成为物种的避难所, 保留了大部分的祖先单
倍型。 因此, 现存植物在青藏高原面上仅能检测
到少数几种单倍型; 二是这些植物在第四纪冰期
在青藏高原台面上仍有部分居群能够存活并保留
了祖先单倍型, 青藏高原面及腹地的局部地区成
为物种避难所, 因而在高原面上也能检测出多种
单倍型。
绵参的单倍型分布和分化情况则更接近第二
种情况, 但又有其特殊的一面。 从绵参的 ITS 单
倍型分布上看, 在已确定的 19 个单倍型中, 除
了单倍型 H19 和 H12 由少数居群共享外, 其余
的 17 个单倍型只分布于一个居群内, 基本上表
现为 “一个居群一个单倍型冶 的模式, 类似于
一个个高山孤岛的谱系地理分布格局 (图 1)。
居群之间遗传距离和地理距离相互关系的分析,
没有检测到有意义的谱系地理结构, 说明居群之
间的基因交流和联系较少, 基于中间连接法
(Median鄄joining) 构建的单倍型网状图也表明大
多数单倍型都位于分支图末端, 都是衍生单倍
型, 且各单倍型之间关系较远。 因此, 与上述物
种相比, 绵参具有一个相对独特的谱系历史。 显
然长期的隔离应该是造成这种格局的主要因素,
这也就暗示自高山流石滩生境形成后, 绵参似乎
就没有经历过种群分布格局的变迁或交流, 也说
明第四纪冰期对该种分布格局的影响可能没有造
成大的灭绝或迁移。
Hewitt (2000) 认为高山带生境在冰期时因
植物分布海拔下降而相互连贯, 因而分布较广,
而在间冰期温度回升时, 植物分布海拔上升造成
一些物种发生生境片段化。 对于绵参这样的高海
拔分布植物而言, 现存植物的间冰期生境与冰期
时相比可能有大幅度的收缩。 因此, 在第四纪冰
期时, 与大多数温带植物一般遵循的冰期退缩与
间冰期或冰后期扩张模式不同, 绵参可能经历了
冰期的扩展和间冰期或冰后期种群的收缩。 这种
模式被称之为 “替位避难所模式冶。 它由 Kropf
等 (2003) 在开展欧洲阿尔卑斯山同域分布但在
海拔上梯度差异的两个物种的比较谱系地理学研
究时首先提出。 由于从时间长度来看, 冰期持续
时间较间冰期长得多 (Winograd 等, 1997; Ruth鄄
erford和 D爷Hondt, 2000), 因此对适应寒冷环境
的高山植物而言, 理应有更多的时间来扩展居群
规模并扩大其地理分布区。 与之相反, 在第四纪
冰期低海拔植物有可能更容易遭受长时间的物种
生境片段化或地理隔离的影响。 因此, 高海拔植
物居群间的遗传分化程度应比低海拔植物为低。
日本学者在研究分布于日本群岛的高山植物类群
时, 检测到较低的居群间遗传分化, 他们认为这
些植物类群遵循冰后期生境片段化模式导致物种
的地理隔离, 即冰期后种群分布区缩小 (Fujii和
Senni, 2006; Ikeda等, 2006; Ikeda 和 Setoguchi,
2007)。
然而, 绵参居群间表现出了较高水平的遗传
分化, 表明居群间基因交流较少。 各单倍型之间
的网状关系分析也表明各现存单倍型似乎经历了
较长的隔离历史。 我们推测由于青藏高原地形的
高度异质性, 对绵参等高海拔分布的植物类群而
言, 在冰期时, 由高海拔生境向低海拔迁移, 因
其耐寒的特性加之特殊的流石滩基质, 使其不可
能向下迁移到很低海拔段与该种其它居群连接或
融合。 因此在冰期居群扩展时, 各居群之间仍相
互保持一种隔离状态, 很少有机会发生居群间的
基因交流。 而在冰后期或间冰期生境海拔升高
时, 更是加剧了各个居群之间的隔离。 因此, 尽
管第四纪冰期气候的波动使绵参居群在高山上下
迁移变化, 但彼此之间始终保持隔离状态。 长期
的地理隔离导致居群间高度分化, 并且每一个居
群固定了一种单倍型。 绵参的遗传变异主要存在
于居群间, 只有少数几个单倍型分布于两个以上
的居群中, 如最常见的单倍型 H19 为玉树、 聂
拉木、 称多、 杂多和曲麻莱共享; 单倍型 H12
为九龙和雅江居群所共享。 这些少数共享的单倍
型可能是由于古老单倍型的残遗, 也可能由于偶
然的长距离扩散或基因交流形成。
失配分析结果为多峰曲线, 表明绵参并未在
冰期后经历过种群的快速扩张。 我们的研究结果
与先前研究过的青藏高原植物不同, 绵参呈现出
高度分化的遗传结构, 常常呈现出 “一个居群,
一种单倍型冶 的模式, 这可能是由于第四纪冰
期气候波动以及青藏高原极端地形的组合效应。
是否还有其它流石滩植物表现出相同的遗传结构
有待进一步研究。
216摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 植 物 分 类 与 资 源 学 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 第 33 卷
致谢摇 陈世龙研究员、 杨扬、 徐波、 李国栋、 牛洋、 周
卓等博士为本研究提供了实验材料; 张体操博士、 岳学
坤、 朱鑫鑫在实验中给予的大力帮助。
﹝参摇 考摇 文摇 献﹞
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