（植物学专业论文）阿丁枫科的自然杂交、亲缘地理学与物种形成模式.pdf

中山大学博士学位论文阿丁枫科自然杂交、亲缘地理学与物种形戍模式吴伟 阿丁枫科的自然杂交、亲缘地理学与物种形成模式 专业：植物学 博士生：吴伟 导师：施苏华教授 摘要 物种形成一直是进化生物学的核心问题，长期以来由于方法手段以及由此造 成的认识局限性，关于物种形成各个方面仍是充满争议，随着分子生物学的高度 发展和基因组学的兴起、测序技术的提高特别是新一代大规模测序技术的出现， 人们可以获得海量的基因组数据，结合居群遗传学和生物信息学分析，通过构建 各种统计模型来检验这些假说，进而认识物种形成的本质。本研究以阿丁枫科为 研究对象，从自然杂交、亲缘地理学和物种形成的生物地理学模式几个角度对其 进行了研究。研究的内容包括以下三个部分： 半枫荷杂交起源的分子鉴定。分别利用一个单拷贝的核基因p i n 2 和一个低 拷贝的核基因c a b 4 ，通过对其中分布较广的嫌疑杂种半枫荷( sc a t h a y e n s i s ) 进 行克隆测序，对可能的亲本物种枫香和缺萼枫香以及阿丁枫和倒卵阿丁枫进行居 群水平测序。两个核基因的系统发育显示，枫香和缺萼枫香关系很近，在系统发 育树上聚为一支，密不可分；每一个嫌疑杂种个体内均存在具有种间分化水平的 两种类型的克隆，且大致相等地分别与上述可能的亲本枫香一缺萼枫香和阿丁枫 倒卵阿丁枫聚为一支并得到较高的自展检验值，支持半枫荷杂交起源。母系遗传 的叶绿体基因m a r k 揭示了在海南的杂交事件中倒卵阿丁枫是亲本，然而在广东 的黑石顶和南岭包括m a t k 在内的其它三个叶绿体基因都没有发现变异，因而无 法对这两个地方的杂交方向作出判断，同时表明了它们是独立的杂交事件。 枫香和缺萼枫香的亲缘地理学研究。利用合并的四个叶绿体基因片段 ( 口印b 。r b c l 、p s b e - p e t l 、m a t k 2 、p s b a - t r n h ) 和个核基因p a r 研究了中国亚 热带常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林常见种枫香和缺萼枫香的亲缘地理学。结 果揭示，枫香和缺萼枫香在物种水平上表现出较低水平的叶绿体基因多样性，这 可能和种子散播机制有关；而较高水平的核基因核苷酸多样性和居群间较大差异 的遗传多样性水平，除了与生活史、交配系统有关外还可能与居群过去的进化历 中山大学博士学位论文阿丁枫科自然杂交、亲缘地理学与物种形成模式吴伟 史有关。与此相对应的是枫香和缺萼枫香核基因和叶绿体基因表现出不同的遗传 结构，叶绿体基因遗传多样性存在居群间( 9 4 3 0 ) ，这与种子介导的有限的基 因流相关；核基因遗传多样性存在居群内( 4 8 8 0 ) ，这与枫香和缺萼枫香以风 媒传粉异交为主而导致居群间的同质化预期相一致，居群间的分化水平差异较 大，从接近0 到f s t - - o 9 5 7 ，可能与居群过去的进化历史有关。大多数居群的接近 于零的近交系数以及较高水平的杂合度和重组事件，提供了枫香和缺萼枫香可能 异交为主交配系统的间接证据。此外，我们还推测了可能的避难所及演化中心， 我们推测东部的天目山、南部的黑石顶、南岭，西南重庆的秀山，贵州的凯里、 黔灵山、广西的岑王都是可能的避难所。而西南和南部应该是枫香和缺萼的多样 性中心也是演化中心。 枫香属复合体物种形成的生物地理学模式推断。严格的异域式物种形成模式 下基因组具有一致的分化时间，而在邻域式物种形成模式下，由于基因流存在物 种形成的过程中，基因组上位点分化时间随机分布。我们以植物物种形成模式最 经典异域式物种形成的例子东亚北美间断分布枫香属复合体物种为研究对象，通 过获得的六个种的5 3 个位点的序列，在最大似然法的分析框架下，估计了不同 种对间的祖先多态性。结果显示，在具有变异的物种基因组分化时间( 邻域式模 式) 情形下祖先多态性与现存物种多态性更加接近，与此同时，不同种对间的两 种不同生物地理模式的最大似然比检验给出了一个极其显著的结果，尤其是东亚 和北美种对间更加显著，支持东亚北美间断分布邻域式物种形成模式；本研究提 供了两条独立的枫香复合体邻域式物种形成模式的遗传学证据。同时我们提示， 通过检验观察到的基因组多位点的分化和多态性数据与基因组分化时间分布的 拟合度可以用来推断非模式生物物种形成的生物地理学模式。 关键词：阿丁枫科，自然杂交，亲缘地理学，东亚北美间断分布，物种形成 中山大学博士学位论文阿丁枫科自然杂交、亲缘地理学与物种形成模式吴伟 n a t u r a lh y b r i d i z a t i o n ，p h y i o g e o g r a p h ya n ds p e c i a t i o n p a t t e r n so fa l t i n g i a c e a e m a jo r ：b o t a n y n a m e ：w uw e i s u p e r v i s o r ：p r o f s h is u h u a a b s t r a c t s p e c i a t i o nh a sa l w a y sb e e nt h ee s s e n t i a li s s u eo fe v o l u t i o n a r yb i o l o g y , h o w e v e r ， c o n t r o v e r s i e so c c u r r e da l m o s ti ne v e r ya s p e c t so fi ta st h el i m i t e dt o o l st od e l v ei n t o t h e mf o rl o n g w i t ht h eg r e a tl e a po fm o l e c u l a rb i o l o g ya n dg e n o m i c se s p e c i a l l yt h e m o s tr e c e n ta d v e n to fl a r g es c a l es e q u e n c i n gt e c h n o l o g y , p e o p l eh a v ec o m et ou n r a v e l t h en a t u r eo fs p e c i a t i o nb yi n c o r p o r a t i o no fb i o i n f o r m a t i c sa n dp o p u l a t i o ng e n e t i c s i n t h i ss t u d y , w ee x p l o r e dt h en a t u r a lh y b r i d i z a t i o n , p h y l o g e o g r a p h ya n ds p e c i a t i o n m o d ei nt h ea l t i n g i a c e a es p e c i e s m o l e c u l a ri d e n t i f i c a t i o no fh y b r i do r i g i no fs e m i l i q u i d a m b a rc a t h a y e n s i s i nt h i s s t u d y , t w os i n g l eo rl o wc o p yn u c l e a rg e n e sp i n 2a n dc a b 4 ，f i o msc a t h a y e n s i sw e r e s e q u e n c e db yc l o n i n g ，a n di t sp u t a t i v ep a r e n t a ls p e c i e sl i q u i d a m b a ra n da l t i n g i a w e r es e q u e n c e dd i r e c t l yw i t hp o p u l a t i o ns a m p l e s o u rr e s u l t ss h o w e dt h a tl f o r m o s a n aa n d 三a c a l y c i n aw e r ec l o s e l yr e l a t e da n dc o n s t i t u t e da ni n s e p a r a b l ec l a d e i nt h ep h y l o g e n e t i ct r e e so fb o t hp i n 2a n dc a b 4g e n e s 。p h y l o g e n e t i ca n a l y s e sr e v e a l e d t w ot y p e so fs e q u e n c e sf o rsc a t h a y e n s i s ，w h i c hw e r ed i v e r g e da tt h es p e c i e sl e v e l a n dc l u s t e r e da l m o s te q u a l l yw i t hi t sp u t a t i v ep a r e n t s 三f o r m o s a n a - l a c a l y c i n aa n d a o b o v a t a - a c h i n e n s i sr e s p e c t i v e l y , f u r t h e r m o r e ，b o t ht h et w oc l a d e so ft w ot y p e s o fc l o n e sw e r es u p p o r t e dw i t hs t r o n gb o o t s t r a pv a l u e ，t h u sv a l i d a t e dt h eh y b r i ds t a t u s o f s c a t h a y e n s i s t h em a t e r n a li n h e r i t e dp a r t i a lc h l o r o p l a s tm a t kg e n es e q u e n c e so f t h et w oi n d i v i d u a l so fsc a t h a y e n s i sw e r ei d e n t i c a lw i t ht h o s eo fa o b o v a t a n o d i a g n o s t i cc h l o r o p l a s tm a r k e r si n c l u d i n gm a t k a n dt h r e eo t h e rc h l o r o p l a s tg e n e sw e r e f o u n dt od i s t i n g u i s h 三f o r m o s a n aa n da c h i n e n s i si n h e i s h i d i n ga n dn a n l i n g m o l e c u l a rd a t ac l e a r l yd e m o n s t r a t e dt h a tsc a t h a y e n s i si so fi n t e r g e n e r i c h y b r i d o r i g i nb e t w e e nl f o r m o s a n a 一三a c a l y c i n aa n da o b o v a t ao ra c h i n e n s i sa n dt h a ta o b o v a mf u n c t i o n sa st h em a t e r n a lp a r e n ti nt h eh y b r i d i z a t i o ne v e n t si nj i a n f e n g l i n g ， h a i n a n ，a n dt h e s eh y b r i de v e n t sa r ei n d e p e n d e mw i t ht h o s ei ng u a n g d o n g p h y l o g e o g r a p h yo fl i q u d a m b a rc o m p l e x i n t h i ss t u d y , w eu s e ds e q u e n c e so fa l i i 中山大学博士学位论文阿丁枫科自然杂交、亲缘地理学与物种形成模式吴伟 c o n c a t e n a t e dc h l o r o p l a s td n a f r a g m e n t ( a t p b - r b c l 、p s b e - p e t l 、m a t k 一2 、p s b a - t r n h ) a n d o n en u c l e a rg e n ep a rt oi n v e s t i g a t et h ep h y l o g e g r a p h yp a t t e r n so fl f o r m o s a n aa n dl a c a l y c i n aw h i c hd i s t r i b u t e dw i d e l yi ns u b t r o p i c a le v e r g r e e nb r o a d - l e a v e df o r e s to r m i x e de v e r g r e e nb r o a d - l e a v e da n dd e c i d u o u sf o r e s t s t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a t i q u i d a m b a rc o m p l e xs p e c i e s s h o w e dl o wl e v e lo fn u c l e o t i d e d i v e r s i t y f o r c h l o r o p l a s tf r a g m e n t s ，t h i sw a sp r o b a b l ya s s o c i a t e dw i t ht h es e e d sd i s p e r s i o na b i l i t y o ft h et w os p e c i e s b yc o n t r a s tw i t ht h i s ，t h en u c l e o t i d ed i v e r s i t yo f p a r g e n ew a sh i g h a n dv a r i e dt os o m ed e g r e ea m o n gp o p u l a t i o n s ，w h i c hn o to n l yr e f l e c t e dt h el i f e h i s t o r ya n dm a t i n gs y s t e m so ft h et w os p e c i e sb u ta l s oh i n t e do fd i f f e r e n td e m o g r a p h y h i s t o r yo ft h e s ep o p u l a t i o n si nt h ep a s t c o r r e s p o n d i n gt ot h ed i v e r s i t yp a t t e r n , t h e g e n e t i cs t r u c t u r e sw e r ei n c o n g r u e n tb e t w e e nt h et w ot y p e o fg e n e s f o rt h e c h l o r o p l a s tf r a g m e n t s ，t h ed i v e r s i t yh a r b o r sm a i n l yb e t w e e np o p u l a t i o n sw h i l ef o r n u c l e a rg e n ei tw a sw i t h i np o p u l a t i o n sa n dg e n e t i cd i f f e r e n t i a ll e v e lv a r i e dg r e a t l y w i t hf s tr a n g e df r o ma l m o s t0t o0 9 57 w h i c hf u r t h e rr e v e a l e dt h ee f f e c t so ft h e d e m o g r a p h yh i s t o r yo fp o p u l a t i o n s l o wl e v e lo fi n b r e e d i n gc o e f f i c i e n t sf i st o g e t h e r w i t hh i g hf r e q u e n c yo fr e c o m b i n a t i o ne v e n t si nm o s tp o p u l a t i o n so ft w os p e c i e s p r o v i d e di n d i r e c te v i d e n c e so fo u t c r o s sm a t i n gs y s t e mi nt h el i q u i d a m b a rs p e c i e s i n a d d i t i o n ，w ei n f e r r e dt h ep o s s i b l eg l a c i a lr e f u g i u m sa n dd i v e r s i f i c a t i o nc e n t e r sf o r l i q u i d a m b a rs p e c i e s ，a n dw es p e c u l a t e d t h a ts e v e r a lr e f u g i u m se x i s t e dw h i c h i n c l u d e dt h et i a n m um t s i nt h ee a s tc h i n a ，h e i s h i d i n gm t sa n dn a n l i nm t si ns o u t h c h i n a ，x i u s a ni nc h o n g q i n gd i s t r i c t ，k a i l ia n dq i a n l i n gm t si ng u i z h o u ，c e n w a n gi n g u a n g x i o b v i o u s l ys o u t hc h i n aa n dw e s ts o u t h e r nc h i n aw e r et h ed i v e r s i f i c a t i o n c e n t e ro fl i q u i d a m b a rs p e c i e s i n f e r r i n gt h em o d eo fs p e c i a t i o ni nl i q u i d a m b a rc o m p l e xt h es t r i c ta l l o p a t r i c m o d ep r e d i c t st h a tt h ed i v e r g e n c et i m e sa c r o s st h eg e n o m es h o u l db eu n i f o r m , w h i l e f o rp a r a p a t r i cm o d e ，t h ed i v e r g e n c et i m e sa r ed i s p e r s e da c r o s st h eg e n o m e i nt h i s s t u d y , w eo b t a i n e dt h es e q u e n c e so f5 3g e n e sf r o mt h es i xs p e c i e so fl i q u i d a m b a r c o m p l e x ，aw e l l k n o w ne a s ta s i a na n de a s t e r nn o r t ha m e r i c a nd i s j u n c t i o n sa n dt h e m o s tc i t e dc a s e sf o ra l l o p a t r i cs p e c i a t i o n u n d e ram o s tl i l ( e l m o o df r a m e w o r k ，t h e a n c e s t r a lp o l y m o r p h i s mw a se s t i m a t e da m o n gd i f f e r e n ts p e c i e sp a k si nt h e l i q u i d a m b a rc o m p l e xb a s e do nt h ed a t as e tf r o mt h es i xs p e c i e s t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h ea n c e s t r a lp o l y m o r p h i s ml e v e l sa n de x t a n tp o l y m o r p h i s m sa tt h es p e c i e sl e v e l w e r em o r ec l o s ea tt h eg a m m am o d ew i t ht h ev a r i a b l ed i v e r g e n c et i m e sa c r o s s g e n o m et h a na tt h en u l lm o d ew i t ht h ec o n s t a n td i v e r g e n c et i m e ；a tt h es a m et i m e ，t h e l v 中山大学博士学位论文阿丁枫科自然杂交、亲缘地理学与物种形成模式吴伟 l i k e l i h o o dr a t i o nt e s to ft h et w om o d e sy i e l d e ds i g n i f i c a n tr e s u l t se s p e c i a l l yf o rt h e e a s ta s i a na n de a s t e r nn o r t ha m e r i c a ns p e c i e sp a k s t h et w ol i n e so fi n d e p e n d e n t e v i d e n c e sr e j e c t e dt h en u l lm o d e ，p a r a p a t r i cm o d ew a sf a v o r e db yo u rd a t a w e s u g g e s t e dt h a tt h ea p p r o a c ht h a te x a m i n i n gt h ef i t n e s so f t h ed i s t r i b u t i o n so f d i v e r g e n c et i m ea c r o s sg e n o m et oa s e to fo b s e r v e dd i v e r g e n c ea n d p o l y m o r p h i s m d a t a , c a nb ew i d e l yu s e dt oi n f e rt h eg e o g r a p h i c a lm o d eo fo t h e rn o n - m o d e l o r g a n i s m s k e yw o r d s ：a l t i n g i a c e a e ，n a t u r a lh y b r i d i z a t i o n , p h y l o g e o g r a p h y , e a s ta s i a na n d n o r t ha m e r i c a nd i s j u n c t i o n s ，s p e c i a t i o n v 论文原创性声明： 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：墨辟 1 日期：2 0 0 9 年1 2 月4 日 学位论文使用授权声明： 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版 和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进 入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名芬砷 曰期：2 0 0 9 年1 2 月4 臼 导师签名： 日期：2 0 中山大学博士学位论文 阿丁枫科自然杂交、亲缘地理学与物种形成模式吴伟 前言 新物种是如何形成的? 物种形成内在的机制和动力是什么? 物种形成需要 什么样的地理格局? 物种形成以后，受地质历史事件的影响，在漫长的历史过程 中分布格局发生了怎样的变化? 自达尔文时代以来，这些问题就一直困惑着进化 生物学家，尽管各种假说和理论不断被人们提出来，然而由于方法手段以及由此 造成的认识局限性，关于物种形成的各个方面仍是充满争议，随着分子生物学的 高度发展和基因组学的兴起、测序技术的提高特别是新一代大规模测序技术的出 现，人们可以获得海量的基因组数据，结合居群遗传学和生物信息学分析，通过 构建各种统计模型来检验这些假说，进而认识物种形成的本质。 1 植物自然杂交研究概况 1 1 自然杂交与物种形成 自然杂交是指在自然条件下具有显著不同可遗传性状的两个居群的个体之 间的成功交配( a r n o l d ，1 9 9 7 ) ，根据居群的分类地位可以分为亚种、种间和属 间的杂交。自然杂交是植物界普遍存在的现象，早期的统计资料显示( k n o b l o c h ， 1 9 7 2 ) 包括人工杂交在内被子植物共有2 3 ，6 7 5 个嫌疑的种间和属间杂种，显然 这不包括自然界里尚不为人们所识别的那些杂种物种。尽管杂交现象在自然界 十分常见，并不意味着所有类群都是如此，自然杂种在各类群的分布是不平衡的， 双子叶植物比单子叶植物更容易发生杂交，依靠动物传粉的物种间比风媒传粉的 物种之间的杂交要多( r i e s e b e r ga n dw e n d e l ，1 9 9 3 ) ，多年生植物中的自然杂交 比一年生植物常见( s t a n c e ，1 9 7 5 ) ，e l l s t r a n de t a l ( 1 9 9 6 ) 通过对不列颠群岛、 斯堪的纳维亚半岛、北美大平原、夏威夷群岛、美国山脉间区五个地区的植物区 系分析发现在科属水平都呈现不平衡分布，大约1 6 一3 4 的科，6 一1 6 的 属的植物类群报道过有一个以上的杂种或杂种物种，少数科的少数属包括大多数 自然杂交事件；具有多年生习性、昆虫传粉、异交、同时具有无性繁殖特性的植 物类群发生自然杂交的频率较高。自然杂交并非一个随机现象，通常，杂交只会 发生在亲缘关系较近生殖隔离不完全的物种间，交配系统也直接影响着自然杂交 发生，异交的物种之间比自交的物种之间发生杂交的机会更大( r i e s e b e r g ，1 9 9 7 ) 。 除了物种自身的遗传特性外，外部生态因子也会对物种间的自然杂交产生重要影 中山大学博士学位论文阿丁枫科自然杂交、亲缘地理学与物种形成模式吴伟 响，a n d e r s o n ( 1 9 4 9 ) 认为，生境扰动可能是影响杂交发生频率的最重要因子， 这是由于被干扰的生境一方面可能使之前存在物种间的地理隔离不复存在，另外 方面，干扰的生境使杂种获得新的生态位而有利于杂种区的建立。 杂交和多倍化是高等植物物种形成和进化的重要途径( s t e b b i n s ，1 9 5 9 ；g r a n t ， 1 9 8 1 ；a r n o l d ，1 9 9 7 ；s o l t i s ，2 0 0 5 ) 。虽然自然界的杂交很普遍，但并不是所有的自 然杂交都能产生新的物种，一种情况是杂种后代虽然具有较强的生活力，但育性 降低甚至不育，适合度较低，在生殖上对后代没有贡献，因而被有些进化学家称 为进化的死角，进化上的噪音( m a y r , 1 9 6 3 ；b a r t o na n dh e w i t t ，1 9 8 5 ) ，其中一种 比较特殊的情形是为了避免繁殖上的浪费，自然选择会加强交配前的隔离，称之 为强化( r e i n f o r c e m e n t ) ，目前，这种理论得到十分有限的来自自然界的例证( n o o r , 1 9 9 5 ；r u n d l ea n ds c h l u t e r , 1 9 9 8 ；s a e t r e ，1 9 9 9 ) 。自然杂交这种网状进化的另外一个 方向是渗入( i n t r o g r e s s i o n ) ，杂种后代具有一定的育性，但倾向于同亲本发生回 交，从而产生的杂种后代与其中一个亲本相似的同时有另外一个物种的部分性 状，但是在有些情况下，这种重组的基因型会具有与亲本相当或更高的适合度， 占据新的生境，与亲本共存，或竞争取代亲本物种。自然杂交作为进化上重要的 “创造力”( a r n o l d ，19 9 7 ) 体现在杂种物种的形成，按照染色体倍性的变化分 为同倍体杂种物种形成( h o m o p l o i dh y b r i ds p e c i a t i o n ) 和多倍体杂种物种形成 ( a l l o p o l y p l o i dh y b r i ds p e c i a t i o n ) ，同倍体杂种物种形成指杂交物种具有同亲本相 同的染色体数，根据g r o s sa n dr i e s e b e r g ( 2 0 0 5 ) 的统计，目前得到分子证据 支持的同倍体杂种物种形成仅有十几个，如最早得到验证的甜菊属的 s t e p h a n o m e r i ad i e g e n s i s ( g a l l e za n dg o t t l i e b ，19 8 2 ) ；向日葵属的h e l i a n t h u s a n o m a l u s ( r i e s e b e r ge la 1 ，1 9 9 0 ) 、摩擦禾属( t r i p s a c u m ) 和玉蜀黍属( z e a ) 的杂交种t r i p s a c u ma n d e r s o n i i ( t a l b e r te ta 1 ，1 9 9 0 ) 和鸢尾属i r i sn e l s o n i i ( a m o l d ， 1 9 9 3 ) ；芍药属p e a o n i a 的几个物种( f e r g u s o na n ds a n g ，2 0 0 1 ；s a n ge ta 1 ，1 9 9 5 ， 1 9 9 7 ；s a n ga n dz h a n g ，1 9 9 9 ) 。这可能是由于同倍体杂种物种形成涉及到染色体 重排和获得与亲本隔离的新的生态位等复杂机制而不多见( r i e s e b e r g ，1 9 9 7 ) ； 最常见的是多倍体物种形成中的异源多倍体物种形成，许多重要的农作物，如小 麦、大豆、马铃薯、甘蔗、烟草、棉花和水稻的近缘野生种都是异源多倍化形成 的。 2 中山大学博士学位论文阿丁枫科自然杂交、亲缘地理学与物种形成模式吴伟 1 2 自然杂交的分子鉴定 人们对杂交的认识和研究随着生物学的发展经历了从宏观到微观的历程， 早期关于杂交种的研究主要基于形态性状和地理分布，并用人工杂交的方法进行 验证，二十世纪初细胞生物学的发展，染色体数目和核型分析用于检测杂交种的 真伪；分子生物学的发展，各种分子标记如等位酶、r f l p 、r a p d 、i s s r 、a f l p 和s s r 等标记和基于d n a 序列的核糖体r n a 基因、叶绿体和线粒体基因标记 广泛地应用到自然杂交研究上。g o t t l i e b ( 1 9 7 2 ) 提出了判断自然杂交的几个标 准：亲本在地理分布上的重叠性；形态性状的中间性；生物化学的证据。形态性 状的中间性并不总是与杂交有关( m o r r e la n dr i e s e b e r g ，1 9 9 8 ；p a r ke ta 1 ，2 0 0 3 ) ， 分子标记是稳定遗传的，能更直接揭示杂种和亲本之间的关系以及杂交本质，而 d n a 序列能克服其它分子标记重复性不够，非共显性，同塑性的缺点，因而得 到越来越广泛的应用。杂交网状进化的特点使得杂种在叶绿体基因树和核基因树 上的位置不一致，在排除了祖先多态性的随机分离，基因复制，或水平基因转移 等情形下，可作为杂交的证据( s a n ga n dz h o n g ，2 0 0 0 ) 。常用的核基因有核糖体 基因i t s ( i n t e r n a lt r a n s c r i b l es p a c e r ) ，e t s ( e x t e r n a lt r a n s c r i b e ds p a c e r ) 等，通常的 方法是根据这些分子在杂种个体具有亲本分子叠加的特性，对嫌疑杂种个体进行 克隆测序，然后构建系统发育，寻找可能的亲本( m o o d ya n dl e s ，2 0 0 2 ；w e e k sa n d s i m p s o n , 2 0 0 4 ；z h o ue ta 1 ，2 0 0 5 ；p a ne ta 1 ，2 0 0 7 ) 。通常情况下，在植物杂种验证 应用最广泛的核基因i t s 由串联重复单元组成( 1 8 s i t s l 5 8 s i t s 2 2 6 s ) ，各个 重复单元间在不等交换( u n e q u a lg e n ec r o s s i n g ) 和基因转换( g e n ec o n v e r s i o n ) 作用下而趋于一致，然而，越来越多的报道显示i t s 等多拷贝基因重复单元在有 些物种中并非完全的一致进化( n o n c o r c t e de v o l u t i o n ) ( b u c k l e r1 v e ta 1 ，19 9 7 ； c a m p b e l l ，19 9 7 ；m a y o la n dr o s s e l l o ，2 0 01 ；a l v a r e za n dw e n d e l ，2 0 0 3 ；b a y l ya n d l a d i g e s ，2 0 0 7 ；r o s s e l l oe ta 1 ，2 0 0 7 ) ，这使杂种的验证变得比较困难，因而，对这 些物种有必要寻找其它单拷贝或低拷贝的直系同源基因。目前已有利用其它核基 因成功进行杂种验证的报道( f e r g u s o na n ds a n g ，2 0 0 1 ；g a s k i na n ds c h a a l ，2 0 0 2 ； p a ne ta 1 ，2 0 0 7 ；q i ue ta 1 ，2 0 0 8 ) 。由于叶绿体基因在绝大数被子植物中是母系遗 传的，所以通常用来判定杂交的方向( b i r k y ，1 9 9 5 ；m o g e n s e n ，1 9 9 6 ) 。 3 中山大学博士学位论文阿丁枫科自然杂交、亲缘地理学与物种形成模式吴伟 2 亲缘地理学研究概况 2 1 亲缘地理学简介 亲缘地理学( p h y l o g e o g r a p h y ) 是一门研究近缘物种间或同一物种内居群间 基因谱系的地理分布格局以及其历史成因的新兴学科( a v i s ee ta 1 ，1 9 8 7 ) 。作为 生物地理学的一个分支学科，亲缘地理学通过近缘物种或种内遗传变异样式与生 态学和地质历史事件的结合，从时间和空间来揭示物种的历史，同传统生物地理 学依靠现存物种的形态特征，传播或迁移以及化石的证据来研究高分类阶元的地 理分布相比，亲缘地理学则偏重近缘物种或种内居群间的研究，所使用的也主要 是分子实验数据，因而又被称为分子亲缘地理学。它将种内水平的微进化和种上 水平大进化( 物种形成) 有机结合起来，建立了居群遗传学和系统分类学之间的 桥梁( a v i s e ，1 9 9 8 ，2 0 0 0 ) 。 1 9 7 9 年a v i s e 等利用线粒体d n a 研究了囊鼠的( g e o m y s p i n e t i s ) 的地理居 群系统发生关系( a v i s ee ta 1 ，1 9 7 9 ) ，发现种内基因世系与地理之间存在显著的 相关性，从而掀开了亲缘地理学研究的序幕，生物地理学的研究进入了一个新的 时代。早期的亲缘地理学研究主要在动物学领域展开( g a m e r ye ta 1 ，1 9 9 2 ，1 9 9 5 ； t a b e r l e t & b o u v e r ，1 9 9 4 ；c o o p e re ta 1 ，1 9 9 5 ；h a r d ye ta 1 ，1 9 9 5 ；k o h ne ta 1 ，1 9 9 5 ； b o u r s o te ta 1 ，1 9 9 6 ) ，这是由于动物线粒体d n a 具有比较快的进化速率，母系遗 传没有遗传重组，且引物通用易于扩增( a v i s e ，2 0 0 0 ) 。然而，植物亲缘地理学 的研究则受限于合适的，高遗传变异的分子标记，因而相对滞后。除了在松科植 物中线粒体具有较快的进化速率和稳定的序列外，植物线粒体基因组的进化速率 比叶绿体基因组更慢，同时植物线粒体基因组在大小和结构上都十分不稳定，存 在高频率重排、重复和缺失，以及外源如核基因组的转移等( p a l m e r , 1 9 9 2 ) ，因 而在其它植物类群亲缘地理学的应用受到限制。常用的分子标记是叶绿体基因和 低拷贝的核基因序列( s t r a n de la 1 ，1 9 9 7 ；s c h a a le ta 1 ，1 9 9 8 ；t a b e r l e te ta 1 ， 1 9 9 8 ) 。叶绿体基因同样具有单亲遗传的特点，特别是针对叶绿体组的非编码区 开发的通用引物提供了较高遗传变异的分子标记，如a t p b r b c l ( l o n d o ne ta 1 ， 2 0 0 6 ) ，t r n t - t r n f ( l i a oe ta 1 ，2 0 0 7 ) ，t r n l t r n f ( s ue ta 1 ，2 0 0 5 ) 等广泛应用到植 物亲缘地理学的研究中。单亲遗传的叶绿体或线粒体反映的只是居群部分历史， 特别是当物种性别间在适合度或迁移传播方式出现较大的分化时，叶绿体或线粒 4 中山大学博士学位论文阿丁枫科自然杂交、亲缘地理学与物种形成模式吴伟 体基因谱系描述的物种历史就会存在较大的偏差。在这种情况下，具有双亲遗传 的核基因能就反映整个物种的历史。此外，核基因所代表物种的有效居群是细胞 质基因的4 倍，因而具有更长的溯祖时间，能反映物种更为古老的历史。最后， 核基因组的大容量属性，可以提供各种水平的变异，适合于各种水平的研究 ( h a r e ，2 0 0 1 ) 。但是目前利用核基因进行的亲缘地理学还十分有限( c a i c e d oa n d s c h a a l ，2 0 0 4 ：s a r aa n ds a s a b e ，2 0 0 6 ；l o d o ne ta 1 ，2 0 0 6 ；i k e d a ，2 0 0 8 ) ，首先， 开发在各个类群都通用的引物也比较困难；核基因的基因复制普遍存在，获得单 拷贝或种内直系同源的基因对大多数的非模式生物仍然困难，例如，在植物亲缘 地理学研究中应用比较广泛的核g 3 p 锄基因在很多物种中就存在多个拷贝；另 外，制约核基因在亲缘地理学研究中应用的还有基因内重组而导致的网状进化 ( b e r m i n g h a ma n dm o r i t z ，1 9 9 8 ) 。然而，随着测序技术的发展及其成本的降低， 特别是新一代高通量测序技术的发展，从非模式生物获取海量基因已成为可能， 与此同时基于溯祖理论的统计方法同居群遗传学理论相结合发展出强有力的基 因谱系分析方法，这些都为核基因在植物亲缘地理学的应用提供了广阔的前景 ( n i e l s e na n db e a u m o n t 2 0 0 9 ) 。 2 2 植物亲缘地理学研究进展 过去的2 0 年里，植物亲缘地理学的发展虽然落后于动物类群的研究但也取 得了长足的进步。研究的热点集中