海岛隔离与喀斯特地貌生境隔离对海南岛特有植物形成的作用机制：以海南凤仙花为例

Due to the plate motion, geographic isolation and the caused plant habitat alteration are important reasons for formation of endemic species. Several rounds of pressing by Indian Plate led to cumulative geographic factors of limestone landscape and continental islands, which provides unique habitats for formation of endemic species.This project is planned to focus on Impatiens hainanensis, a species endemic to Hainan Island, which was formed in limestone landscape, together with two outgroup species, I. chinensis, a widely spread species, on both the island and the continental China and I. morsei, a species endemic to the limestone areas at the border of China and Vietnam. We will firstly, through field survey, inspect similarities and differences among the three species on habitat, population and species. Then, we will reveal phylogenetic relationships of the species and spreading routes of I. hainanensis through low-depth genome sequencing, sequence analysis of rDNA ITS and mitochondria trnC-rpoB. Combined with field survey, molecular evolution and historical geological data, we will infer effect of geographic factor superposition on formation of species endemic to Hainan Island and rates of new species formation, and systematically outline evolutionary routes of I. hainanensis in the enclosed habitat of limestone landscape in Hainan Island. Therefore, this project will reveal mechanism of species formation of I. hainanensis, and will provide sample and ideas for future studies on species separation and formation of new species in unique geographic circumstances.

板块运动导致的地理隔离及其引发的植物生境剧变，是特有种形成的重要因素。印度板块的数次挤压使喀斯特地貌和大陆岛这两种地质特征在海南岛叠加，为特有种形成提供了独特的生境。本项目拟以海南岛喀斯特地貌下形成的特有植物海南凤仙花为对象，并以广布于海南与大陆的华凤仙和同组近缘种龙州凤仙花为外类群，开展资源调查，详细比较三种凤仙花在生境、居群和物种形态上的异同；对三个种的多居群开展基因组浅度测序、rDNA ITS和叶绿体trnC-rpoB序列分析，揭示种间系统发育关系及海南凤仙花岛屿扩散路径。通过结合资源调查、分子进化手段和海南岛地质历史数据，挖掘地理隔离因素叠加对海南特有物种形成的作用机制及其对新物种形成速率的影响；系统阐述海南凤仙花在大陆岛喀斯特地貌这一封闭环境中的进化路径。本申请项目将揭示海南凤仙花在大陆岛喀斯特地貌这一特殊环境的物种进化历史，有助于理解海南岛及类似岛屿的特有植物形成机制。

本研究通过分子系统学探究海南凤仙花物种形成机制，结合海南岛的地质时间，以期揭示其起源与进化历史。通过系统学关系分析海南凤仙花的姐妹种，并通过流式细胞术分析其是否为多倍体成种；结合核基因ITS序列、叶绿体atpB-rbcL以及trnC-rpoB序列的单倍型分析，探究海南凤仙花物种形成时间及种群的扩散路线。主要研究结果如下：.（1）海南凤仙花完整cp基因组的长度为150,038 bp，大小为18,090 bp的反向重复（IR, inverted repeats）区域；基因组编码115个基因，其中80个是蛋白质编码基因,31个tRNA和4个rRNA基因；海南凤仙花叶绿体基因组的SSR位点的总数量为195个，单碱基重复占绝大多数为174个。.（2）越南特有种I.verrucifer为海南凤仙花的姐妹种，两个物种的染色体倍性一致，两者无多倍体成种现象。基于核DNA ITS序列的海南凤仙花和I.verrucifer分离时间为0.58 Ma，与海南岛和大陆分离的时间1Ma相近；基于叶绿体atpB-rbcL序列的海南凤仙花与I.verrucifer分离时间为2.91Ma，与喀斯特山脉的隆起时间4-5Ma相近。根据ITS序列和cpDNAatpB-rbcL计算的物种分化时间推测造成海南凤仙花与I.verrucifer之间种子传播中断的因素为喀斯特山脉的隆起，而花粉传播中断的因素为海南岛与大陆的分离。.（3）海南凤仙花在陆桥形成时（0.7-2.5万年前）将其核DNA单倍型H1-ITS和H6-ITS传播到了越南I.verrucifer的天堂岛种群和吉婆岛种群内，没有进行叶绿体单倍型的传播，推测陆桥起到了花粉传播的作用，没有起到种子传播的作用。陆桥的形成虽然造成了两个物种的基因流，但两个物种的基因库并未发生同质化现象，两者仍为独立的物种。.（4）海南凤仙花山顶种群内原始单倍型占绝大多数，单倍型种类较为单一；山腰和山脚种群的单倍型丰富。大量新的单倍型分布在这两个种群内，推测海南凤仙花种群的扩散方式为山顶向山脚的扩散。海南凤仙花物种形成时间较短，表明其并非孑遗植物，而是一个处于扩张中的新特有种。