??????????????????????????????????植物分类与资源学报????????????????????????????第33卷96
表3??所有单倍型AMOVA分析
Table3??Analysesofmolecularvariance(AMOVA)forallhaplotypes
变异来源Sourceofvariation居群间Amongpopulation居群内Withinpopulation总计Total
固定指数FixationindexFST
自由度df
12154166
0.99077(P<0.001)
方差SS1471.77113.7501485.521
变异成分VC9.582040.089299.67132
变异比例Variatioin(%)
99.080.92
非重组模型的中性检验Tajima??sD=0.94711(P>0.10)、FuandLi??sD=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??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??,分支??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??stepclades),5个二级分支(2??stepclades),3个三级分支(3??stepclades)。Clade3??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??A、XZD??B、EY、LJ6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(Allopatricfragmentation)。
3??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??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??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????中分化出来,表
图3??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??Themostparsimonious(MP)treebasedonelevencpDNAhaplotypes(H1??H11)ofP.poissonii,numbersabovethebranchesindicateMPbootstrapvalues(BS)basedon1000replicates,
andgeographicaldistributionofeachhaplotype
wasmarkedoutrespectively
1期??????????
????????????宋敏舒等:横断山地区海仙报春的谱系地理学研究??????????????????????????????97
图4??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??Nestedcladogramof11haplotypesbasedontwocpDNAsequencesofP.poissonii
Cycleswithnumbers(H1??H11)denotehaplotype.Dotsrepresentputativehaplotypes.Eachbranchrepresentsonemutation
表4??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
Table4??ChainofinferencefromthenestedcladeanalysisofthecpDNAhaplotypesdataof
P.poissoniiusingTempleton??s(2004)inferencekey
分支Clade1-41-52-42-53-13-3Totalclade
检索Cladekey1-19NO
Nullhypothesiscannotberejected
1-19NO1-19NO1-19NO1-19NO1-19NO
推论Inferences
异域片段化AllopatricfragmentationMovingtonestclade
异域片段化Allopatricfragmentation异域片段化Allopatricfragmentation异域片段化Allopatricfragmentation异域片段化Allopatricfragmentation异域片段化Allopatricfragmentation
明其起源较晚;Clade????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)。??????????????????????????????????植物分类与资源学报????????????????????????????第33卷98
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;Hewit,t1996,2000)。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5.4~7.2m(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??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。
??参??考??文??献??
王献溥,刘玉凯,1994.生物多样性的理论与实践[M].北京:
中国环境科学出版社
刘淑珍,柴宗新,陈继良,1986.横断山北段第四纪冰川作用
[A].横断山考察专集(二)[M].北京:北京科技出版社李吉均,冯兆东,周尚哲,1996.横断山第四纪冰川作用遗迹
[A].横断山冰川[M].北京:科学出版社吴征镒,1980.中国植被[M].北京:科学出版社
吴征镒,1987.西藏植物区系的起源及其演化[A].西藏植物志
(第5卷)[M].北京:科学出版社
施雅风,李吉均,李炳元,1998.青藏高原晚新生代隆起与环境
变化[M].广州:广东科学技术出版社
AviseJC,2000.Phylogeography:theHistoryandFormationofSpe??
cies[M].Cambridge,Massachusetts:HarvardUniversityPressBartishIV,KadereitJW,ComesHP,2006.LateQuaternaryhistory
ofHippophaerhamnoidesL.(Elaeagnaceae)inferredfromchal??conesynthaseintron(Chsi)sequencesandchloroplastDNAvari??ation[J].MolecularEcology,15:4065??4083
BeheregarayLB,2008.Twentyyearsofphylogeography:thestateof
thefieldandthechallengesfortheSouthernHemisphere[J].MolecularEcology,17(17):3754??3774BouffordDE,
[A].
vanDijkPP,2004.MountainsofsouthwestChina
eds,
In:MittermeterRA,GilPR,HoffmanMetal.,
HotspotRevisited:Earth??sBiologicallyRichestandMostEndan??geredEcoregions(2nd)[M].Cemex,Mexico,159??164ChenSY,WuGL,ZhangDJetal.,2008.Potentialrefugiumonthe
Qinghai??TibetPlateaurevealedbythechloroplastDNAphylogeog??raphyofthealpinespeciesMetagentianastriata(Gentianaceae)1期??????????
????????????宋敏舒等:横断山地区海仙报春的谱系地理学研究??????????????????????????????99
tionwithintheLigularia-Cremanthodium-Paraseneciocomplex(Asteraceae)triggeredbyupliftoftheQinghai??Tibetan[J].Plateau.MolecularPhylogeneticsandEvolution,38:31??49MengL,YangR,AbbottRJetal.,2007.Mitochondrialandchloro??
plastphylogeographyofPiceacrassifoliaKom.lecularEcology,16(19):4128??4137
MengLH(孟丽华),YangHL(杨慧玲),WangYJ(王玉金),
2008.PhylogeographyofHippophaeneurocarpa(Elaeagnaceae)inferredfromthechloroplastDNAtrnL??Fsequencevariation[J].JournalofSystematicsandEvolution(植物分类学报),46:32??40
NeiM,1987.MolecularEvolutionaryGenetics[M].NewYork:
ColumbiaUniversityPress
NewtonAC,AllnuttTR,GilliesACMetal.,1999.Molecularphylo??
geography,intraspecificvariationandtheconservationoftreespe??cies[J].TrendsinEcologyandEvolution,14:140??145OkauraT,HaradaK,2002.Phylogeographicalstructurerevealedby
chloroplastDNAvariationinJapaneseBeech(FaguscrenataBlume)[J].Heredity,88:322??329
PetitRJ,AguinagaldeI,deBeaulieuJLetal.,2003.Glacialrefu??
gia:hotspotsbutnotmeltingpotsofgeneticdiversity[J].Sci??ence,300:1563??1565
PosadaD,CrandallKA,TempletonAR,2000.GeoDis:aprogram
forthecladisticnestedanalysisofthegeographicaldistributionofgenetichaplotypes[J].MolecularEcology,9(4):487??488PonsO,PetitRJ,1996.Measuringandtestinggeneticdifferentiation
withorderedversusunorderedalleles[J].1237??1245
RaymondM,RoussetF,1995.Anexacttestforpopulationdifferenti??
ation[J].Evolution,49:1280??1283
RogersAR,HarpendingH,1992.Populationgrowthmakeswavesin
thedistributionofpairwisedifferences[J].MolecularBiologyandEvolution,9:552??569
RozasJ,Sanchez??DeIBarrieJC,MesseguerXetal.,2003.DNASP:
DNApolymorphismanalysesbythecoalescentandothermethods[J].Bioinformatics,19:2496??2497
SchaalBA,HayworthDA,OlsenKMetal.,1998.Phylogeographic
studiesinplants:problemsandprospects[J].MolecularEcolo??gy,7(4):465??474
ShiYF(施雅风),2004.Theemergenceandabandonmentoftheice
sheethypothesisovertheQinghai??XizangPlateauduringtheiceage[J].QuaternarySciences(第四纪研究),24(1):10??18SlatkinM,1985.Geneflowinnaturalpopulations[J].AnnualRe??viewofEcologyandSystematics,16:393??430
SoltisPS,GitzendannerMA,1999.Molecularsystematicsandthe
conservationofrarespecies[J].471??483
SunH(孙航),2002.EvolutionofArcticTertiaryflorainHimalayan
HengduanMountains[J].ActaBotanicaYunnanica(云南植物ConservationBiology,
13:
Genetics,
144:
(Pinaceae)in
theQinghai??TibetanPlateauandadjacenthighlands[J].Mo??
[J].BotanicalJournaloftheLinneanSociety,157:125??140ChengYP,HwangSY,LinTP,2005.PotentialrefugiainTaiwanre??
vealedbythephylogeographicalstudyofCastanopsiscarlesiiHayata(Fagaceae)[J].MolecularEcology,14:2075??2085ClementM,PosadaD,CrandallKA,2000.TCS:acomputerpro??
gramtoestimategenegenealogies[J].MolecularEcology,9:1657??1660
CrandallKA,TempletonAR,1993.Empiricaltestsofsomepredic??
tionsfromcoalescenttheorywithapplicationstointraspecificphy??logenyreconstruction[J].Genetics,134(3):959
DoyleJJ,DoyleJL,1987.ArapidDNAisolationprocedureforsmall
quantitiesoffreshleafmaterial[J].PhytochemicalBulletin,19:11??15
EhrichD,GaudeulM,AssefaAetal.,2007.Geneticonsequences
ofPleistocenerangeshifts:contrastbetweentheArctic,theAlpsandtheEastAfricanmountains[J].MolecularEcology,2542??2559
ExcoffierLP,LavalG,SchneiderS,2006.Arlequin3.01:AnInte??
gratedSoftwarePackageforPopulationGeneticsDataAnalysis[M].Switzerland:InstituteofZoology,UniversityofBerneFuYX,
LiWH,1993.
Statisticaltestsofneutralityofmutations
[J].Genetics,133:693??709
FujiiN,TomaruN,OkuyamaKetal.,2002.ChloroplastDNAphy??
logeographyofFaguscrenata(Fagaceae)inJapan[J].PlantSystematicsandEvolution,232:21??33
HewittGM,1996.Somegeneticconsequencesoficeages,andtheir
roleindivergenceandspeciation[J].BiologicalJournaloftheLinneanSociety,58:247??276HewittGM,
2000.ThegeneticlegacyoftheQuaternaryiceages
[J].Nature,405:907??913
IbrahimKM,NicholsRA,HewittGM,1996.Spatialpatternsofge??neticvariationgeneratedbydifferentformsofdispersalduringrangeexpansion[J].Heredity,77:282??291
IkedaH,SetoguchiH,2007.PhylogeographyandrefugiaoftheJapa??
neseendemicalpineplant,PhyllodocenipponicaM.(Ericaceae)[J].JournalofBiogeography,34:169??176
IshihamaF,UenoS,TsumuraYetal.,2006.Effectsofdensityandfloralmorphonpollenflowandseedreproductionofanendangeredheterostylousherb,Primulasieboldii[J].JournalEcoogyl,94:846??855
JacquemynH,HonnayO,GalbuseraPetal.,2004.Geneticstruc??
tureoftheforestherbPrimulaelatiorinachanginglandscape[J].MolecularEcology,13:211??219
KochMA,KieferC,EhrichDetal.,2006.ThreetimesoutofAsia
Minor:thephylogeographyofArabisalpinaL.(Brassicaceae)[J].MolecularEcology,15:825??839
LiXW(李锡文),LiJ(李捷),1993.Apreliminaryfloristicsstudy
ontheseedplantsfromtheregionofHengduanMountain[J].ActaBotanicaYunnanica(云南植物研究),15:217??231LiuJQ,WangYJ,WangALetal.,2006.Radiationanddiversifica??
16:
??????????????????????????????????植物分类与资源学报????????????????????????????第33卷100
研究),24:671??688
SwoffordDL,2003.PAUP.PhylogeneticAnalysisUsingParsimony
(*andOtherMethods).Version4.0b10[M].Sunderland,Massachusetts:SinauerAssociates
TajimaF,1989.Statisticalmethodfortestingtheneutralmutationhy??
pothesisbyDNApolymorphism[J].Genetics,
7:381??397
TempletonAR,CrandalKA,SingCF,1992.Acladisticanalysisof
phenotypicassociationswithhaplotypesinferredfromrestrictionendonucleasemappingandDNAsequencesdata.III.Cladogramestimation[J].Genetics,132:619??633
TempletonAR,SingCF,1993.Acladisticanalysisofphenotypicas??
sociationswithhaplotypesinferredfromrestrictionendonucleasemapping.IV.Nestedanalyseswithcladogramuncertaintyandrecombination[J].Genetics,134:659??669
TempletonAR,2004.Statisticalphylogeography:methodsofevalua??
tingandminimizinginferenceerrors[J].MolecularEcology,13:789??809
ThompsonJD,GibsonTJ,PlewniakFetal.,1997.TheCLUSTAL_
Xwindowsinterface:flexiblestrategiesformultiplesequencea??lignmentaidedbyqualityanalysistools[J].NucleicAcidsRe??search,25:4876??4882
WangWT(王文采),1992.Onsomedistributionpatternsandsome
migrationroutesfoundintheEasternAsiaticregion(cont.)[J].ActaPhytotaxonomicaSinica(植物分类学报),30:97??117
WangYJ(王玉金),LiXJ(李晓娟),HaoG(郝刚)etal.,2004.
MolecularphylogenyandbiogeographyofAndrosace(Primulace??ae)andtheconvergentevolutionofcushionmorphology[J].ActaPhytotaxonomicaSinica(植物分类学报),42:481??499WangAL,YangMH,LiuJQ,2005.Molecularphylogeny,recentra??
diationandevolutionofgrossmorphologyoftherhubarbgenusRheum(Polygonaceae)
inferredfromchloroplastDNAtrnL??F
*
sequences[J].AnnalsofBotany,96:489??498
WangYJ,LiuJQ,MieheG,2007.PhylogeneticoriginsoftheHima??
layanendemicDolomiaea,DiplazoptilonandXanthopappus(Asteraceae:Cardueae)basedonthreeDNAregions[J].An??nalsofBotany,99:311??322
WangFY,GongX,HuCMetal.,2008.Phylogeographyofanalpine
speciesPrimulasecundiflorainferredfromthechloroplastDNAsequencevariation[J].JournalofSystematicsandEvolution,46(1):13??22
WangL,AbbottRJ,ZhengWetal.,2009.Historyandevolutionof
alpineplantsendemictotheQinghai??TibetanPlateau:Aconitumgymnandrum(Ranunculaceae)(4):709??721
WeirBS,CockerhamCC,1984.EstimatingF??statisticsfortheanaly??
sisofpopulationstructure[J].Evolution,38:1358??1370WuCY(吴征镒),1979.TheregionalizationofChineseflora[J].
ActaBotanicaYunnanica(云南植物研究),1:1??22WuCY,1988.HengduanMountainsfloraanditssignificance[J].
JournalofJapaneseBotany,63:297??311
ZhangQ,ChiangTY,GeorgeMetal.,2005.Phylogeographyofthe
Qinghai??TibetanPlateauendemicJuniperusprzewalskii(Cupres??saceae)inferredfromchloroplastDNAsequencevariation[J].MolecularEcology,14:3513??3524
ZhangDC,BouffordDE,ReeRHetal.,2009.The29??Nlatitudinal
line:animportantdivisionintheHengduanMountains,abiodi??versityhotspotinsouthwestChina[J].NordicJournalofBota??ny,27:405??412
ZhangDC,SunH,2010.Elevationalpatternofseedplantspecies
richnessintheHengduanMountains,SouthwestChina:AreaandClimate[A].In:SpehnEM,KornerC,eds.DataMiningforGlobalTrendsinMountainBiodiversity[M].BocaRaton:CRCPress
[J].MolecularEcology,18