东亚特有药用植物玄参复合种系统发育和物种形成机制研究

Our previous studies revealed that Scrophularia ningpoensis species complex (S. ningpoensis, S. buergeriana, S. kakudensis, S. yoshimurae) is endemic to Eastern Asia and a monophyletic clade with different ploidy levels. Furthermore, boundaries between these four species are not clear and they share the similar morphological characteristics. Based on results of cpDNA and ITS sequences analysis, studies on phylogeny and speciation of S.ningpoensis species complex will be conducted by SNPs analysis detected by RAD-seq molecular markers, low-copy nuclear genes, morphology analysis, karyotype and ploidy analysis. The aims are to 1) clarify the phylogenetic relationships among these four species of S. ningpoensis species complex; complete the revision of taxonomy of this group; 2) reveal the speciation mechanism and the diploid ancestral species of this species complex; 3) explore the population genetic structure, geographical distribution pattern, genetic differentiation and migration mechanism of this group.

前期研究揭示玄参复合种（S.ningpoensis, S. buergeriana, S. kakudensis, S. yoshimurae）是东亚特有的一个具有不同倍性系列的单系类群，但是这4个种之间界限模糊，形态特征相似，物种分化机制不明。本项目将在cpDNA和ITS序列分析基础上，重点基于RAD-seq标记的SNPs分析和低拷贝核基因，结合染色体核型和倍性分析，深入开展该复合种系统发育分析和物种形成与分化机制研究：1）阐明玄参复合种内各种间的系统进化关系，完成其分类修订；2）揭示玄参复合种的染色体进化机制及二倍体祖先类群；3）探讨该类群的地理分布特点、群体遗传结构和谱系分化特征，为亲缘地理学和物种形成及分化理论提供一个良好的模式案例。

基于RAD tag技术的单核苷酸多态性（SNPs）分析，结合cpDNA和ITS序列分析及形态、地理特征，研究玄参属（Scrophularia）的系统演化，物种形成与分化；重点揭示东亚特有类群玄参复合种（S.ningpoensis, S. buergeriana, S. kakudensis, S. yoshimurae）种间关系、祖先类群和物种形成与分化。该研究解决了玄参属内的种间关系问题，结果支持砾玄参是个单系，绝大多数的砾玄参组（subsect. Caninae）物种聚成一个支持率很高的单系；进一步将草本玄参组划分为以下四组：地中海玄参组（subsect. Scrophularia）、北美玄参组（subsect. Americana）、东亚玄参组（subsect. China）和翅茎玄参组（subsect. Umbrosa），其中，玄参复合种位于东亚玄参组内，岩玄参（S. amgunensis F.Schmidt）是玄参复合种的姐妹类群，根据分歧时间估算结果揭示它早在7Ma就与玄参复合种发生了分化，分布于日本、韩国和中国辽宁的丹东玄参位于复合种的基部，推测可能是该复合种的二倍体祖先。推测该复合种的祖先在中新世早期（20 mya左右），当时气候开始变温暖潮湿，丹东玄参向东迁移分化形成北玄参，向南迁移形成玄参和双锯齿玄参。玄参属系统发育树显示分布于韩国的朝鲜玄参S. koraiensis嵌在玄参复合种S. kakudensis分支内部，与来自韩国和日本的S. kakudensis形成一个支持率达到百分百的单系，结合形态特征分析，根据植物命名法规，将S. koraiensis作为S. kakudensis的异名处理。通过转录组测序分析，寻找到单拷贝基因家族95个，其中基因蛋白序列小于200bp的单拷贝基因家族89个，筛选到合适的SSR标记并结合系统发育树回答了玄参属和玄参复合种起源、迁移和传播路线。