叉叶类苏铁的遗传分化和谱系地理研究

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作者：

龚奕青

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摘要：

叉叶类苏铁是指小羽叶二歧分叉的德保苏铁(Cycas debaoensis),多歧苏铁(C multipinata),叉叶苏铁(C.bifida)和越南叉叶苏铁(C.micholitzii)等4种苏铁属植物.它们分布在我国西南,越南,老挝以及柬埔寨,其中德保苏铁是中国的特有种,多歧苏铁和叉叶苏铁是红河流域特有种. 本研究筛选了3个叶绿体片段(ateB-rbcL,psbA-trnH和psB-psbH)对多歧苏铁,叉叶苏铁和越南叉叶苏铁进行测序研究,同时结合已经报道的德保苏铁的叶绿体片段(ateB-rbcL和psbA-trnH)数据,分析叉叶类苏铁的叶绿体遗传多样性和遗传分化.同时,基于双亲遗传的微卫星分子标记(SSR)和5个低拷贝核基因(PHYP,AC5,PPRC,AAT和SAMS)对德保苏铁,多歧苏铁,叉叶苏铁和越南叉叶苏铁分别进行遗传多样性,遗传分化,遗传结构和居群动态分析,并探讨了种间的亲缘关系.主要结果如下: 1遗传多样性研究结果 多歧苏铁3个叶绿体片段的联合序列矩阵总长1979bp,共有14个多态位点,检测到了8种单倍型(muHHl-8),单倍型多样性(Hd)为0.7718,核苷酸多态性(π)为0.00149.叉叶苏铁的叶绿体片段联合序列矩阵总长1990bp,共有22个多态位点,检测到7种单倍型(biH1-biH7),单倍型多样性为0.7184,核苷酸多态性为0.00191.越南叉叶苏铁的叶绿体片段联合序列矩阵总长1960bp,共有24个多态位点,检测到14种单倍型(miH1-14),单倍型多样性为0.9078,核苷酸多态性为0.00107. 5个低拷贝的核基因的遗传多样性水平不同,AAT和SAMS两个片段的遗传多样性较高,位点之间重组概率也大,种间谱系分化不完全;PPRC的变异位点数目少;PHYP和AC5片段变异位点数量适中,比较适合分析. 16个微卫星位点在整个类群28个居群535个个体中共检测到402个等位基因.越南叉叶苏铁的等位基因最多有279个,其中特有等位基因也最多,有44个;多歧苏铁有188个等位基因,其中24个特有等位基因;叉叶苏铁有198个等位基因,其中21个特有等位基因;德保苏铁的等位基因最少有164个,特有等位基因也最少,只有14个.故依据微卫星数据分析得出越南叉叶苏铁的遗传多样性最高,德保苏铁的遗传多样性最低. 2遗传分化研究结果 3个叶绿体片段联合分析显示多歧苏铁,叉叶苏铁和越南叉叶苏铁的遗传分化极为显著.多歧苏铁有90.72%的变异发生在居群间,FST值为0.90717;叉叶苏铁有83.28%的变异发生在居群间,FST值为0.83281;越南叉叶苏铁88.05%的变异发生在居群间,FsT值为0.88051. 低拷贝核基因片段的遗传分化结果如下:多歧苏铁遗传分化显著,Fst在0.28426-0.75502之间;越南叉叶苏铁遗传分化处于中等水平,FST在0.158610.31136之间;叉叶苏铁除了SAMS显示遗传分化大,FsT为0.45432,其余4个低拷贝基因显示遗传分化小,FST在0.00538-0.12108之间;德保苏铁的遗传分化小,FST在0.10678-0.17753之间. 微卫星数据的遗传分化分析结果与低拷贝核基因的一致,多歧苏铁的遗传分化十分显著,FST为0.92304;越南叉叶苏铁分化处于中等水平,FsT为0.21290;叉叶苏铁的遗传分化低,FST为0.11558;德保苏铁遗传分化最低,FST为0.11438. 多歧苏铁有两个间断的分布区,即中国云南的3个居群和越南北部的2个居群,长期的地理隔离导致两个分布区间基因交流很少,遗传分化大:德保苏铁的野生居群虽然最多,但它的分布区最小,居群间的地理距离很近,所以居群间遗传分化不明显. 3居群动态分析 叶绿体数据的居群动态分析显示距今5-10万年开始,多歧苏铁,叉叶苏铁和越南叉叶苏铁这3种的有效居群大小有不断减小的趋势. 微卫星数据显示所有居群的G-W值(Garza-Williamson index)都小于临界值0.68,暗示所有居群都经历过居群减小事件. 叉叶类苏铁的4个种都有经历瓶颈效应,故为了有效的保护这些资源,对它们实行就地保护和迁地保护十分必要. 4叉叶类苏铁的谱系地理研究 叉叶类苏铁2个叶绿体片段(atpB-rbcL和psbA-trnH)的联合序列共组成28种单倍型,种间没有共享的单倍型,单倍型系统树显示多歧苏铁,叉叶苏铁和越南叉叶苏铁呈现并系. 在5个低拷贝的核基因中,PHYP和AC5片段的单倍型网状结构图清晰,4个种的单倍型关系清晰;而另外的PPRC, AAT和SAMS基因片段的单倍型之间有出现种间共享,可能是种间共同保留了一些祖先单倍型. 微卫星的STRUCTURE分析和主成分分析(Principal coordinate analysis, PCoA)都显示叉叶类苏铁可以分成两个谱系:一个仅由德保苏铁组成,而另一个由多歧苏铁,叉叶苏铁和越南叉叶苏铁组成.第二组中,越南北部的多歧苏铁和越南叉叶苏铁现在的地理分布区相距甚远,完全隔离,但是二者的遗传距离很近,这很可能是中南半岛板块运动引起的.印度板块冲撞欧亚板块后,除了引起喜马拉雅隆起以外,还造成了中南半岛沿着红河断裂带,相对华南板块向东南漂移了700km.结合目前越南北部的多歧苏铁与越南叉叶苏铁的分布状况,可以推断这两个类群在中南半岛板块移动以前,分布在"红河海湾"两岸,地理上相距较近,虽然两者的种子不能传播到对方分布区,但两者之间存在花粉流.正是由于存在以花粉流为主的基因流影响,分布在越南北部的2个居群的多歧苏铁与越南叉叶苏铁之间的遗传距离反而比与分布在中国云南的多歧苏铁的遗传距离小. 5结论 德保苏铁的分布区集中而狭隘,所以它的遗传多样性是4个种中最低的;越南叉叶苏铁的分布区是4个种分布区中纬度最低的,气候最温暖,适合其生长分化,并且整个分布区面积大,地势复杂,这可能是其遗传多样性最高的原因. 多歧苏铁有两个间断的分布区,即中国云南和越南北部,长期的地理隔离导致其遗传分化程度是4个种内最显著的. 整个叉叶苏铁可分成两个谱系,一个由分布在最北边的德保苏铁组成,另外的由多歧苏铁,叉叶苏铁和越南叉叶苏铁3个种组成.越南叉叶苏铁与越南的多歧苏铁的核基因遗传距离很近,但二者现在的分布区却相距甚远,处于隔离状态,这可能是中南半岛板块运动造成的.在板块移动以前,很可能它们的分布区隔水相望,群体间存在以花粉流为主的基因交流现象. 4种叉叶类苏铁均有经历瓶颈效应,需加强保护,以就地保护为主,迁地保护为辅.

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关键词：

叉叶类苏铁 遗传多样性 遗传分化 基因流 隔离分化 谱系地理

学位级别：

博士

学位年度：

2015