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长柄水青冈种群遗传结构和系统地理学研究

刘美华  
【摘要】: 系统地理学主要研究影响物种的基因谱系形成现有地理分布格局的历史过程,常用于系统地理学研究的基因是细胞器DNA(线粒体DNA、叶绿体DNA)和核DNA。细胞器DNA和核DNA是两种不同遗传模式的基因,两种基因片段结合起来用于系统地理学的研究,可以揭示种群的遗传结构并推测影响种群现有遗传分布格局的历史过程。欧洲和北美最早开展系统地理学方面的研究。第四纪冰期时欧洲和北美大部分地区都被冰盖覆盖,许多古老的物种只在少数避难所存活下来,存活下来的种群在冰期结束后由南向北重新扩散;而东亚大陆并没有被巨大的冰川覆盖,但气温比现在降低8-12℃。那么当时许多东亚物种的分布区是否与当时欧洲和北美生物的分布区发生了相同的变化?这些东亚物种是否也存在冰期避难所?冰期后又是沿怎样的扩散路线形成现在的分布格局? 为了解决以上的问题,我们选取了长柄水青冈作为研究材料。第三纪晚期时,水青冈属植物广泛分布于我国大部分地区,甚至北部地区也有分布。第四纪冰期气候使其退缩到南方亚热带地区,但是冰期后气候回暖时,喜马拉雅山和青藏高原的抬升,使我国东部和西南部季风性气候加强,西北华北大陆性气候加强,气候条件的改变限制了水青冈向北、向西北的扩散,水青冈继续保留在南方亚热带地区。长柄水青冈是我国水青冈属中分布最广泛的种,主要在我国秦岭以南、五岭南坡以北各地分布,是我国亚热带常绿落叶阔叶混交林的优势种之一,分布区呈东西样带分布,东部地区分布呈明显片断化。第四纪冰期对水青冈现在的分布格局有着重要的影响。那么,第四纪冰期时长柄水青冈的避难所在那里?冰期后沿怎样的路线向外扩散并形成现有分布格局?本文针对以上问题进行探讨:采用核DNA的SSR标记和叶绿体DNA标记,分析长柄水青冈的种群遗传结构,探讨种子流和花粉流在种群遗传分化中的贡献率;希望通过分析种群遗传结构和叶绿体单倍型的地理分布格局,揭示长柄水青冈的冰期避难所和冰期后的扩散路线。主要结果如下: (1)用7对微卫星引物对27个种群576个个体分析表明,长柄水青冈种群有较低的遗传多样性。大部分的遗传变异存在于种群内。种群间遗传分化程度高于其它水青冈种。 东部种群和西部种群表现出不同的遗传多样性分布格局。东部种群的遗传多样性低于西部种群。东部分布区种群间的遗传分化比较大,表明长期的片断化阻隔了种群间花粉和种子的传播,使种群间的遗传分化加大。东部不同种群的遗传多样性变化很大:分布区北部的种群遗传多样性较低,种群规模最小;分布区中部的种群具有最高的遗传多样性。WL种群和MD种群检测到了瓶颈效应。这说明长柄水青冈种群分布有衰退的趋势,分布区的南缘和北缘逐渐变得不适合长柄水青冈的生长。 西部地区虽然有高山的阻隔,但种群为大规模连续分布,所以相对于东部种群而言,西部种群的种子流和花粉流能在短距离内扩散,种群间的基因流比较高,遗传分化程度比较低。 (2)用2对叶绿体通用引物(trnS-trnG、psbB-psbF)对22个种群201个个体测序,共得到13种单倍型,只有4个种群(JL、WL、JS、LS)存在单倍型多样性。叶绿体DNA分析表明93.197%的遗传变异存在于种群间,种群间基因分化系数G_(ST)为0.900。长柄水青冈与亮叶水青冈两个种间检测到3种共享单倍型,表明两个种的分化时间较近,二者间曾发生基因渐渗。所有种群都没有检测到种群扩张,表明冰期后气候等环境条件限制了长柄水青冈种群大规模的扩张。 叶绿体单倍型分布呈显著的地理格局,表现出东部分布区与西部分布区单倍型地理分布格局的不同。西部地区种群有较多的原始单倍型和独特的单倍型;同一单倍型在南部地区分布很近,表明冰期后的扩散发生在短距离内;北部因为没有高山的阻隔,单倍型扩散距离较远。东部地区也有较多独特的单倍型,同一单倍型的分布比较广,表明冰期后存在长距离的扩散。 (3)根据两种遗传标记估算的花粉-种子迁移率r为34.228,即在长柄水青冈种群中通过花粉的基因流要比通过种子的基因流高。通过cpDNA计算的遗传分化G_(STm)与其它壳斗科物种接近,表明片断化对长柄水青冈种群间的种子流影响不大,对花粉流的影响比较大。西部高山对花粉的传播也起了一定的阻隔作用。 (4)微卫星揭示的种群遗传结构和cpDNA单倍型地理格局表明,长柄水青冈存在东部和西部两种不同的避难所格局。 西部的避难所以广西、贵州为中心,冰期后种群从低纬度地区向北扩散,高山的阻隔使种群只能短距离扩散或者沿山体上下迁移。避难所北部的种群,向北的迁移扩散不受高山的限制,沿四川盆地周围的山系向北扩散,并越过四川盆地,沿中部低海拔地区向东部地区扩散。 东部避难所位于武夷山山脉的两侧,因武夷山的阻隔,表现出两种不同的扩散路线。武夷山脉以东、南岭东段的避难所,沿武夷山脉东侧向北扩散,到达武夷山脉北段的浙江省境内。而山脉西侧的避难所种群则是沿武夷山西侧向北扩散至浙江省南部。这两条扩散路线都没有越过武夷山脊,是单独发生的。浙江省南部武夷山系的北段单倍型比较丰富,遗传多样性比较高,是两条迁移路线的汇总处。


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