全 文 ：横断山地区海仙报春的谱系地理学研究*
宋敏舒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 650204)
摘要: 由于横断山地区特殊的地理效应, 第四纪冰期气候的反复变化对该地区植物的地理分布和居群遗传
结构产生重要影响。 为了揭示该地区分布的物种的谱系地理结构, 检测了该地区特有的、 生于湿地环境的
植物海仙报春 (Primula poissonii) 的叶绿体 trnL鄄F和 trnT鄄L 两个序列变异。 共对 13 个居群 167 个个体的
两个叶绿体片段进行测序, 共发现 11 个单倍型。 三种单倍型被共享, 其他单倍型都只存在于单个居群内。
分子变异分析 (AMOVA) 结果表明分布区内海仙报春的遗传变异主要存在于居群间 (99. 08% ), 且居群间
的遗传分化很高 (GST =0. 916, FST =0. 99077, NST =0. 973), 有着极显著的谱系地理学结构 (NST>GST, P<
0. 01) 和较低的居群间平均基因流 (Nm =0. 08)。 结合嵌套分支分析 (NCA), 本文的研究结果推测该物种
在冰期可能存在多个避难所, 并没有表现出大多数温带植物在第四纪冰期所经历过的种群集体扩张和迁移
的现象, 异域片段化被认为是该物种现有单倍型分布格局形成的主要原因。 海仙报春的谱系地理结构是气
候的反复波动和横断山特殊的地理环境互相作用的结果。
关键词: 横断山; 海仙报春; 谱系地理学; 叶绿体 DNA; trnL鄄F; trnT鄄L
中图分类号: Q 16, Q 948摇 摇 摇 摇 摇 文献标识码: A摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号: 2095-0845(2011)01-091-10
Phylogeographical Study on Primula poissonii (Primulaceae)
from Hengduan Mountains*
Min鄄Shu SONG1,2, Ji鄄Pei YUE2, Hang SUN2, Zhi鄄Min LI1**
(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 650204, China)
Abstract: The topological effect of the Hengduan Mountains (HM) during the Quaternary climatic oscillation must
have important effects on spatial distribution and genetic structure of plants distributed there. In this study, we ex鄄
amined the chloroplast trnL鄄F and trnT鄄L sequence variation of Primula poissonii, a relatively common alpine perennial
endemic to this region. Eleven haplotypes were detected by analyzing 167 individuals from 13 populations of this spe鄄
cies. Only three of them are commonly shared while the others are respectively fixed in the single population. An ana鄄
lysis of molecular variance (AMOVA) for populations of P. poissonii showed that the genetic variation mainly resided
among populations (99. 08%), and the estimates of interpopulation differentiation were very high (GST =0. 916, FST =
0. 99077, NST =0. 973). Further, a highly significant phylogeographic structure was present (NST >GST, P<0. 01)
whereas the value of average gene flow was low (Nm =0. 08) in the entire geographical range. Along with the nested
clade analysis (NCA), our results indicate there were multiple refugia for this species during the glacial stages. We
failed to detect the interglacial or postglacial range expansion in this species as commonly revealed for the other tem鄄
perate plants. The nested clade analysis indicated that allopatric fragmentation was likely the major processes that
植 物 分 类 与 资 源 学 报摇 2011, 33 (1): 91 ~ 100
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. 10247
*
**
基金项目: 国家自然科学基金项目 (40930209), 云南省自然基金重点项目 (2008CC013)
通讯作者: Author for correspondence; E鄄mail: lizhimin_vip@ 163. com
收稿日期: 2010-12-23, 2011-01-07 接受发表
作者简介: 宋敏舒 (1986-) 女, 硕士生, 主要从事植物谱系地理学研究。
shaped the present spatial distribution of haplotypes in this species. The special phylogeographic structure of P. pois鄄
sonii may have resulted from a combination of both climatic oscillation and complex topology of HM.
Key words: Hengduan Mountains; Primula poissonii; Phylogeography; Chloroplast DNA; trnL鄄F; trnT鄄L
摇 横断山位于青藏高原东南部, 通常为四川、
云南两省及西藏自治区东部一系列南北向山脉的
总称, 其山岭海拔 2 000 ~ 6 000 m, 岭谷高差一
般在 1 000 ~ 2 000 m以上 (施雅风等, 1998)。 横
断山地区地形复杂, 多数地区存在纵向平行的山
脉及被其分隔而成的河谷, 从而使其生境强烈斑
块化。 该地区的是全球生物多样性的热点地区之
一 (Boufford and van Dijk, 2004), 植物区系十分
丰富, 据研究与统计约有 189 科、 1 500 属和 8
590 种, 其中 2 783 种为该地区特有 (李锡文和
李捷, 1993; Zhang 等, 2009; Zhang and Sun,
2010)。 研究表明, 第四纪时期这一地区经历了
4 次大的冰期和间冰期作用, 每次冰期和间冰期
的作用都对这一地区南北成分融汇交流产生了深
远的影响, 进而使之成为现代温带和高山植物区
系的中心 (刘淑珍等, 1986; Wu, 1988), 是许
多重要的植物类群尤其是高山植物如杜鹃花属
(Rhododendron)、 龙胆属 (Gentiana) 虎耳草属
(Saxifraga)、 风毛菊属 (Sausurea) 及报春花属
(Primula) 等世界性大属的现代分布中心 (吴征
镒, 1979, 1980, 1987; 王文采, 1992; 李锡文和
李捷, 1993)。 尽管我国在冰期并没有像欧洲、
北极或者北美那样发生大规模的冰盖, 但是在青
藏高原地区这种气候波动影响了植物的分布范
围, 使其随冰期气候的波动发生进退。 青藏高原
的隆升和第四纪冰川造成的巨大的环境变化不仅
改变了植物分布格局, 而且也改变了物种种内的
遗传结构 (王献溥和刘玉凯, 1994; 孙航, 2002;
Wang等, 2005; Liu等, 2006; Zhang 等, 2005)。
同时, 吴征镒 (1980, 1987) 提出横断山地区是
第四纪冰期北温带植物的避难所, 冰期后成为现
代北温带植物的重要起源地和辐射地之一。
依托分子生物学技术建立起来的谱系地理学
(Phylogeography) 主要是通过直接检测物种不同
居群 DNA变异和谱系分析来探讨该物种曾经发
生的种群扩散以及迁移路线, 从而进一步推测该
物种当前分布格局的历史成因, 特别是能揭示出
由于受第四纪冰期与间冰期反复交错的历史事件
影响。 利用这种手段将有助于了解横断山地区植
物分布格局以及可能存在的冰期避难所 (Cheng
等, 2005; Ikeda and Setoguchi, 2007; Meng 等,
2007; Wang等, 2009)。 DNA测序技术是目前谱
系地理学研究中运用最广泛的技术之一, 而植物
谱系地理学研究主要集中研究叶绿体 DNA
(chloroplast DNA, cpDNA) 片段, 该基因组具有
分子量小、 单亲遗传、 多拷贝、 结构简单及碱基
序列重组少等特点, 有利于遗传分析。 叶绿体基
因的非编码序列不仅适用于分子系统学, 同样适
用于种内的谱系地理学研究 (Schaal等, 1998 ),
并且由于 cpDNA 的单亲遗传使得其基因组在揭
示种群范围变化及种群的历史动态方面非常有用
(Newton等, 1999; Schaal 等, 1998), 尤其有利
于揭示因为环境变化或冰期影响下的种群的变化
及动态 (Bartish等, 2006; Petit等, 2003; Okaura
and Harada, 2002; Fujii 等, 2002; Newton 等,
1999)。 目前该领域的研究主要集中在北美及欧
洲, Beheregaray (2008) 的综述表明, 近 20 年
的谱系地理研究文献有 77%涉及北美洲及欧洲
的研究, 主要是关于第四纪冰期避难所及冰期后
种群扩张的研究, 而中国西南山区及喜马拉雅地
区属于研究较为薄弱的地区。 近年来在横断山及
青藏高原地区的谱系地理学研究上取得了不错的
进展, 如祁连圆柏 ( Juniperus przewalskii Kom,
Cupressaceae) (Zhang等, 2005) , 青海云杉复合
体 (Picea likiangensis Complex, Pinaceae) (Meng
等, 2007) 和露蕊乌头 (Aconitum gymnandrum,
Ranunculaceae) (Wang等, 2009) 等类群的研究
揭示了中国-喜马拉雅地区的末次冰期存在多个
避难所, 这些类群通过改变它们的分布区域来响
应第四纪气候的波动。 而对条纹狭蕊龙胆 (Meta鄄
gentiana striata, Gentianaceae) (Chen 等, 2008),
偏花报春 ( Primula sencudiflora, Primulaceae )
(Wang等, 2008) 等草本类群的研究表明, 横断
山地区是第四纪冰期的避难所。
本研究所用的材料海仙报春 (Primula poissonii
Franch. ) 隶属于报春花属灯台报春组 (sect. Pro鄄
29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
liferae), 多年生草本, 生于海拔 2 100 ~ 3 500 m
的山坡草地湿润处和水边, 该种植物主要在横断
山区的南部和东部 (四川西部和云南西北部) 分
布, 是典型的异花授粉植物。 由于草本植物较短
的生活周期以及对生活环境变化的敏感性, 加上
该种特殊的湿地生境, 所以十分适合作为横断山
区的一个模式种来研究高山植物的谱系地理学。
在本研究中, 我们选取了 cpDNA 的两个非编码
片段 trnL鄄F 及 trnT鄄L 对海仙报春 13 个居群 167
个个体测序, 进行谱系地理学研究, 主要目的是
通过初步取样的研究, 揭示该植物单倍型的地理
分布式样、 居群遗传结构以及冰期时的避难所及
冰期后的迁移路线。
1摇 材料和方法
1. 1摇 实验材料
本研究材料采自四川西部及云南西北部, 按居群采
样标准对海仙报春所处地理分布范围进行取样, 即每个
居群随机采样 7 ~ 15 个个体, 每个居群内采样个体之间
至少间隔 10 m, 共取得海仙报春 13 个居群 167 个个体
(表 1, 图 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)。 选取同组的亲缘种玉
山灯台报春 (Primula miyabeana) 作为外类群。
1. 2摇 DNA提取和 PCR扩增
摇 摇 采用改进的 CTAB 法 (Doyle and Doyle, 1987) 从硅
胶干燥的叶片中提取总 DNA, 对 cpDNA的 trnL鄄F片段和
trnT鄄L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, 2 滋L 10伊PCR反应缓
冲液, 1. 6 滋L MgCl2 (25 mmol·L鄄1), 1. 6 滋L dNTP 混合
液 (10 mmol·L鄄1 ), 正反引物各 1 滋L (10 滋mol·L鄄1 ),
Taq DNA聚合酶 0. 5 单位。 反应程序如下: 先 94益条件
下变性 4 min, 而后 94益 1 min, 57益 1 min, 72益 1 min,
循环 34 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, 在 ABI 3700 DNA
analysis system测序仪上测序。
1. 3摇 数据分析
摇 摇 对 167 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 cpDNA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 ( Raymond and
Rousset, 1995) 和 NST值, 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
1000 次置换进行置换检验。
表 1摇 海仙报春 13 个居群材料来源及叶绿体 DNA单倍型 (H1鄄H11) 的遗传多样性 (Hd) 组成和频率
Table1摇 Origin of materials, measuremnets of haplotypes diversity (Hd) and composition / frequency from
cpDNA haplotypes (H1鄄H11) in 13 populations of P. poissonii
编号
No.
居群
Population
摇 摇 摇 摇 采集地
摇 摇 摇 摇 Locality
样本数
Sample
size
经度
Longitude
(E)
纬度
Latitude
(N)
海拔
Altitude
(m)
单倍型数目
Haplotype
number
单倍型多
样性指数
Hd
核苷酸多
样性指数
仔
1 JL 四川九龙 Jiulong, Sichuan 13 101毅23忆 29毅50忆 2695 H5 (13) 0 0
2 MN 四川冕宁 Mianning, Sichuan 15 102毅12忆 28毅39忆 3357 H8 (15) 0 0
3 ML鄄A 四川木里 Muli, Sichuan 7 101毅10忆 28毅04忆 2985 H5 (7) 0 0
4 ML鄄B 四川木里 Muli, Sichuan 8 101毅18忆 28毅00忆 3100 H7 (8) 0 0
5 WS 云南翁上 Wengshang, Yunnan 15 99毅45忆 28毅15忆 3675 H9 (15) 0 0
6 ZD 云南中甸 Zhongdian, Yunnan 15 99毅52忆 28毅07忆 3460 H1 (15) 0 0
7 WX 云南维西 Weixi, Yunnan 15 99毅16忆 27毅19忆 2897 H10(14),H11(1) 0. 133(0. 11) 0. 0001
8 XZD鄄A 云南小中甸 Xiaozhongdian, Yunnan 13 99毅47忆 27毅34忆 3256 H1 (13) 0 0
9 XZD鄄B 云南小中甸 Xiaozhongdian, Yunnan 15 99毅46忆 27毅35忆 3367 H10(6),H1(9) 0. 514(0. 06) 0. 00039
10 EY 云南洱源 Eryuan, Yunnan 15 99毅59忆 26毅20忆 2301 H1 (15) 0 0
11 LJ 云南丽江 Lijiang, Yannan 14 100毅11忆 26毅59忆 2943 H6 (14) 0 0
12 KM 云南昆明 Kunming, Yunnan 8 102毅37忆 25毅03忆 1925 H2(7),H3(1) 0. 250(0. 18) 0. 00038
13 JD 云南景东 Jingdong, Yunnan 15 101毅01忆 24毅32忆 3349 H4 (15) 0 0
Total 167 0. 791(0. 02) 0. 00305
391 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 宋敏舒等: 横断山地区海仙报春的谱系地理学研究摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 1摇 海仙报春居群采样点及叶绿体 DNA单倍型分布图, 居群编号 (1 ~ 13) 与表 1 的编号一致
Fig. 1摇 The sampled locations and distribution of cpDNA haplotypes within and among populations of P. poissonii.
All of the population codes from 1 to 13 are accordant with Table 1
摇 摇 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内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 and Cockerham, 1984),
以进一步分析居群的分化程度 (1000 次置换检验)。
应用 PAUP* 4. 0b10 (Swofford, 2003) 软件用最大简
约性分析法 (maximum parsimony, MP) 进行单倍型系统
发育分析, 以亲缘种玉山灯台报春 (P. miyabeana) 作
为外类群, 空位 ( gap) 作为缺失处理, 采用启发式搜
索, 1000 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 1000 次重复来检验单倍型各分支
的支持率值。
种内单倍型间嵌套分支分析 (NCA) 参考 Templeton
等 (1992) 的方法, 利用 TCS version 1. 2 (Clement 等,
2000) 软件进行构建。 这种方法应用溯祖理论 (Coales鄄
cent theory) 来推测单倍型间的亲缘关系。 当网状图中间
出现了闭合环状结构时, 我们使用基于溯祖理论的一种
方法和原则进行解释 ( Crandall and Templeton, 1993;
Templeton and Sing, 1993)。 单倍型间的地理相关性首先
用 Templeton和 Sing (1993) 在嵌套范围内对采样地点的
置换分支类型进行嵌套可能性检测的方法进行评估, 然
后从采样地点之间的地理距离计算 Clade distance (Dc)
和 Nested clade distance (Dn) 。 Dc 是同一单倍型 (分支)
的个体与此单倍型分布地理中心的平均地理距离; Dn
是同一单倍型 (分支) 的个体与上一层分支地理中心的
平均地理距离。 在嵌套分支范围内没有地理联系的零假
设用 Geodis 2. 5 (Posada等, 2000) 软件进行分析。 通过
比较末端分支 ( tip clade, 位于网状进化树边缘、 只与
一个单倍型相连的分支, 简称 T) 与内部分支 ( interior
clade, 位于网状进化树内部、 与多个单倍型相连的分
支, 简称 I) 的 Dc 和 Dn 观测值、 或在嵌套分支范围内
用 1000 次 Monte Carlo 置换的零分配对采样地点的内部-
末端分支 (interior鄄tip clade, I鄄T) 的 Dc 和 Dn 比较时进
行检测。 如果内部与末端的 Dc和 Dn 差异不显著, 零假
设不能被推翻, 表明居群之间没有地理相关性; 如果内
部与末端的 Dc 和 Dn 差异显著, 零假设被推翻, 表明居
群之间存在地理相关性, 则需要进一步推断居群之间的
谱系地理关系。 Templeton (2004) 的检索表用于推断单
倍型变异之间的可能的时空联系。
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忆s D (Tajima, 1989)、 Fu 和 Li忆 s D* (Fu and 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
49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
析, 又称歧点分布 (Mismatch distribution) 分析 (Rogers
and Harpending, 1992) 都在 DnaSP 4. 0 程序中完成。
2摇 结果
2. 1摇 序列变异
对 13 个居群 167 个个体进行了叶绿体非编
码 DNA trnL鄄F和 trnT鄄L 片段的全序列测定, 通
过排序发现, trnL鄄F 片段长度为 940 ~ 946 bp,
trnT鄄L片段长度为 448 ~ 460 bp, 两片段联合长
度 1 406 bp, 共检测到 11 个单倍型 (H1鄄H11)。
这 11 种单倍型变异位点见表 2。
2. 2摇 多样性指数、 遗传结构分析及失配分析
在海仙报春的 13 个居群总的单倍型多样性
指数 Hd 为 0. 791 (0. 023), 核苷酸多样性指数
仔为 0. 00305。 其中单倍型 H1 的频率最高, 有
52 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 程序计算得出海仙报春居群
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. 078
(0. 0445)、 0. 925 (0. 0431)、 0. 916 (0. 0500)和
0. 973 (0. 0172)。 使用 U鄄统计方法对海仙报春整
个分布区单倍型变异的地理结构进行检验后发现
NST极显著的大于 GST (U=1. 95, P<0. 01), 表明
在海仙报春分布范围内, 居群间的遗传分化水平
很高 (GST = 0. 916), 并且有着明显的谱系地理
学结构出现。 分子变异分析 (AMOVA) 的结果
表明, 居群间的遗传变异为 99. 08% , 而居群内
的遗传变异为 0. 92% , FST =0. 99077 (P<0. 001)
(表 3), 进一步揭示了海仙报春的遗传变异主要
存在于居群间, 而且具有较高的居群分化水平。
通过 DnaSP 4. 0 程序计算得出居群间的平均基因
流为 0. 08, 说明居群间基因交流不频繁。 在种
的水平上对叶绿体 DNA 进行的失配分析, 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
图 2摇 海仙报春所有个体叶绿体 DNA两个片段
联合数据的失配分析
Fig. 2摇 Mismatch distribution for sequences data of two cpDNA
fragment from all individuals of P. poissonii. The thin represents
the expectation; The dotted line represents the observed value
表 2摇 海仙报春 2 个叶绿体片段 11 个单倍型间的序列变异位点
Table 2摇 Variable sites of the aligned sequences of two chloroplast DNA fragments in 11 haplotypes of P. poissonii
单倍型
Haplotype
变异位点 Variable Sites
1
8
1
6
6
1
7
4
2
0
5
2
4
2
2
5
2
2
7
1
2
9
5
3
1
5
4
6
0
4
7
5
4
8
8
5
5
7
7
0
2
7
4
4
7
7
2
8
0
5
8
2
7
8
2
8
9
2
7
1
1
1
7
1
1
6
0
1
1
8
7
1
2
1
9
1
2
4
2
1
2
4
3
H1 C G - C C T T - - C G C 银4 - G - 银7 A A 银4 - G - 银7 A A
H2 T C - T C C T - - C G C 银4 银5 A - 银7 A A 银4 银5 A - 银7 A A
H3 T C - C C C T - - C G A 银4 银5 A - 银7 A A 银4 银5 A - 银7 A A
H4 T C - C C C T - - C G C 银4 银5 A 银6 银7 A A 银4 银5 A 银6 银7 A A
H5 C C - C T C T - - C A C 银4 - G - - T A 银4 - G - - T A
H6 C G - C C T T - 银3 C G C 银4 - G - 银7 A A 银4 - G - 银7 A A
H7 T C 银1 C T C T - - C A C - - G - - T C - - G - - T C
H8 C C - C C C T - - T G C 银4 银5 A - 银7 A A 银4 银5 A - 银7 A A
H9 C G - C C T T - - C G C 银4 - G - 银7 C A 银4 - G - 银7 C A
H10 C G - C C T A 银2 - C G C 银4 - G - 银7 A A 银4 - G - 银7 A A
H11 T G - C C T A - - C G C 银4 - G - 银7 A A 银4 - G - 银7 A A
银1, TATTGG; 银2, TTCTATGAA; 银3,, GAAGA; 银4,, AGTTTATTT; 银5, TATTTA; 银6, AAACT; 银7, CTTTTTGA; -, delete
591 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 宋敏舒等: 横断山地区海仙报春的谱系地理学研究摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 3摇 所有单倍型 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 Variatioin (% )
居群间 Among population 12 1471. 771 9. 58204 99. 08
居群内 Within population 154 13. 750 0. 08929 0. 92
总计 Total 166 1485. 521 9. 67132
固定指数 Fixation index FST 0. 99077(P<0. 001)
非重组模型的中性检验 Tajima忆s D=0. 94711 (P>
0. 10)、 Fu and Li忆s D = 1. 10072 (P>0. 10)中得
到了支持, 中性检验结果均为正值显示我们所采
样的海仙报春种群由于长期的地理隔离增加了居
群间的分歧。
2. 3摇 各单倍型的之间的系统发育和嵌套分析
(NCA)
用 PAUP软件分析 11 个单倍型, 以玉山灯
台报春为外类群进行系统发育分析。 最大简约性
(MP) 分析, 序列矩阵中有 26 个变异位点, 其
中 10 个信息位点, 得到一棵严格一致性树 (图
3)。 从严格一致性树看出, 海仙报春 13 个居群
的 11 个单倍型分化为 3 个主要分支: 分支 I 包
括单倍型 H1、 H6、 H9、 H10 及 H11, 分别固定
在云南西北部的 ZD、 WS、 WX、 XZD、 EY 及
LJ; 分别固定在 ML 两个居群和 JL 居群的单倍
型 H5 和 H7 以较高的支持率 (97% ) 聚为分支
域, 分支芋由单倍型 H2、 H3、 H4、 H8 组成,
分别固定在 KM、 JD及四川西部的 MN居群。 用
TCS1. 2 软件构建了单倍型间的最小生成网状图
并进行了分层次的嵌套进化分支分析 (图 4),
其分布格局与最简约树基本一致。 11 个单倍型
组成了 7 个一级分支 (1鄄step clades), 5 个二级
分支 ( 2鄄step clades), 3 个三级分支 ( 3鄄step
clades)。 Clade3鄄1 包括 2 个二级分支和 2 个一级
分支, 固定在 ML 和 JL 两地的 3 个居群中;
Clade2-4 包括 2 个一级分支 Clade1-4 和 Clade1
-5, 由云南西北部的 ZD、 WX、 XZD鄄A、 XZD鄄
B、 EY、 LJ 6 个居群拥有的单倍型组成; Clade2
-5 的上级分支为 Clade3-3, 也包括 2 个一级分
支 Clade1 - 6 和 Clade1 - 7, 分别由 KM、 JD 及
MN所拥有的单倍型组成。 检索表分析推测得到
的各个支系单倍型地理分布格局的一系列历史成
因见表 4: 整个支系和各个支系的形成原因均为
异域片段化 (Allopatric fragmentation)。
3摇 讨论
从图 3 可以看出 11 种单倍型可以分为地理
范围各不相同的 3 个分支, Clade鄄I 分布于云南
西北部, 其中单倍型 H1 被相邻的 4 个居群 (中
甸、 小中甸-A、 小中甸-B 及洱源) 分享, 网状
进化树支持其可能为这个分支的祖先单倍型, 这
一分支的其他单倍型都通过较小的突变从这个祖
先单倍型衍生出来, 并且固定在不同的地区;
Clade鄄II仅仅分布于四川西部的木里-A、 木里-B
及九龙居群, 从网状进化树的结果看来, 这个分
支经过了较多的突变从 Clade鄄玉中分化出来, 表
图 3摇 海仙报春 11 种单倍型 (H1 ~ H11) 的 1 棵最大简约 (MP)
树, 分支上的数字表示简约性分析 1000 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. 3摇 The most parsimonious (MP) tree based on eleven cpDNA
haplotypes (H1鄄H11) of P. poissonii, numbers above the branches
indicate MP bootstrap values (BS) based on 1000 replicates,
and geographical distribution of each haplotype
was marked out respectively
69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
图 4摇 海仙报春两个叶绿体 DNA序列联合分析的 11 个单倍型网状进化树
圆圈中或周围的数字 (H1 ~ H11) 表示单倍型, 圆点表示假定的单倍型, 每一分支表示一次突变
Fig. 4摇 Nested cladogram of 11 haplotypes based on two cpDNA sequences of P. poissonii
Cycles with numbers (H1鄄H11) denote haplotype. Dots represent putative haplotypes. Each branch represents one mutation
表 4摇 基于对海仙报春叶绿体 DNA单倍型数据的嵌套分支分析结果, 应用 Templeton (2004)
的检索表分析得到的一系列推论
Table 4摇 Chain of inference from the nested clade analysis of the cpDNA haplotypes data of
P. poissonii using Templeton忆s (2004) inference key
分支
Clade
检索
Clade key
推论 Inferences
1-4 1-19NO 异域片段化 Allopatric fragmentation
1-5 Null hypothesis cannot be rejected Moving to nest clade
2-4 1-19NO 异域片段化 Allopatric fragmentation
2-5 1-19NO 异域片段化 Allopatric fragmentation
3-1 1-19NO 异域片段化 Allopatric fragmentation
3-3 1-19NO 异域片段化 Allopatric fragmentation
Total clade 1-19NO 异域片段化 Allopatric fragmentation
明其起源较晚; Clade鄄芋的 4 个单倍型分别固定
在云南中部的昆明和景东居群及四川西部的冕宁
居群。 显然, 不管从系统树的结果, 还是从
NCA分析结果看来, 海仙报春形成的这 3 个分
支拥有隔离的地理分布。 从分布图 (图 1) 中可
以看出, 各个分支在冰期可能存在各自的避难
所, NCA结果支持这一推断: 隔离分化是主要
的分歧模式, 即在各分支存在不同的避难所。
植物居群空间上的隔离, 突变、 环境因子造
成的选择差异, 随机遗传漂变以及基因流的隔离
等都能导致居群遗传结构的空间异质性, 从而促
进居群的分化 (Jacquemyn等, 2004)。 我们的研
究结果表明, 在海仙报春分布范围内, 居群间的
遗传分化水平很高 (GST = 0. 916), 同样, 分子
变异分析 (AMOVA) 的结果表明, 居群间的遗
传变异为 99. 08% , FST = 0. 99077 (P<0. 001),
而居群内平均遗传多样性 HS值 (0. 078) 较低。
可以看出海仙报春现有的分布特征为: 居群间具
有较高的遗传多样性, 而居群内的遗传多样性较
低。 这种分布模式与大多数温带植物在间冰期与
冰期的扩张现象不符, 后者是分享同一个避难所
或来自同一避难所的居群表现出较低的居群间及
居群内遗传多样性, 并且单倍型组成较单一
(Newton等, 1999; Petit等, 2003; Zhang等, 2005)。
791 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 宋敏舒等: 横断山地区海仙报春的谱系地理学研究摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
或者是在避难所的居群和冰期后扩散的居群的遗
传多样性不同, 由于奠基者效应和瓶颈效应使冰
期后扩散形成的居群的遗传多样性变低 (Ibrahim
等, 1996; Avise, 2000; Hewitt, 1996, 2000)。 显
然, 在我们的研究中并未出现上述现象, 在
NCA分析推断形成现有分布格局的主要原因是
异域片段化, 即各居群间的基因交流受限。 海仙
报春的基因流主要有两方面, 种子流和花粉流。
种子缺乏长距离传播的能力, 而花粉流主要通过
熊蜂等昆虫进行传粉。 叶绿体 DNA 在海仙报春
中为种子传播, 居群间的平均基因流为 0. 08,
表明不同居群间的基因交流很少。 造成当前这种
居群间很低的基因流和很高的遗传分化现象的主
要原因可能是由于其特殊的湿地生境, 种子传播
的距离相对有限, 而花粉传播能力较低, 加之居
群间的地理隔离和生境片段化进一步阻碍了居群
间的基因交流 ( Slatkin, 1985; Koch 等, 2006;
Ehrich等, 2007)。
位于青藏高原东南部的横断山地区的植物在
第四纪冰期时, 受到冰期及间冰期的影响, 种群
随着气候的波动在其发生地反复缩小和扩张。 在
冰期时由于该区域没有大范围的冰盖 (李吉均
等, 1996; 施雅风, 2004), 使得一些类群可以继
续在其发生地生存, 类似海仙报春的高山类群可
能会退缩到低海拔地区渡过这个时期。 然而, 在
横断山多数地区都存在着平行走向的山脉及被其
分隔出来的河谷, 对于生长在沼泽或湿地的海仙
报春, 这种斑块状的生境和强烈的地理隔离限制
了其基因交流, 加之海仙报春的花粉及种子传播
在空间距离上都受限, 花粉传播距离大约仅有
5. 4 ~ 7. 2 m (Ishihama等, 2006), 显然难以越过
横亘的高山。 所以, 不同的居群在退缩过程中很
难融合交流形成一个共同的避难所。 同样, 居群
在间冰期也很难在扩张的过程中进行基因交流,
冰期和间冰期的不断反复, 导致种群反复的缩小
和扩张, 但是它们仍然保留着各自相对隔离的地
理分布。 居群的反复缩小和扩张使单倍型由于遗
传漂变而随机固定在不同的居群中, 即使是十分
临近的居群中也是如此, 遗传漂变降低了居群内
的遗传多样性, 而促进了居群间的遗传多样性。
这种现象导致了居群在小范围内扩张和集中, 从
而形成了现在的分布格局 ( Wang 等, 2008;
Meng等, 2008; Zhang等, 2005)。
对海仙报春谱系地理学的研究结果表明, 该
种植物在冰期可能存在多个地理隔离的避难所,
并没有表现出大多数温带植物在第四纪冰期所经
历过的种群集体扩张和迁移的现象。 由于横断山
地区特殊的、 复杂的地理环境, 如平行的山脉及
山谷形成的天然屏障, 阻隔了种群的基因交流及
迁移, 形成了海仙报春的现代分布。 本研究对海
仙报春在横断山区的现代分布格局形成的历史成
因进行了讨论, 为更好的了解第四纪冰期对横断
山地区植物区系格局的形成及冰期后植物居群的
迁移的影响, 还需对更多的类群开展研究。
致谢摇 岳学坤硕士为本研究提供了实验材料; 张永洪博
士在数据分析和论文写作给予的帮助; 查红光博士在实
验中指导和关心; 岳亮亮、 徐波、 李国栋、 王晓雄、 陈
林阳等同学给予帮助和建议。
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