中国牧野藻亚科植物的分类及系统发育研究

The subfamily Makinelloideae is a member of Chlorophyta, Trebouxiophyceae, Oocystaceae, and inhabits in both freshwater and subaerial environment. The members of Makinelloideae own diverse morphological type of colony，a special colony formation mechanism, complex habitats and unique phylogenetic position, which all make them a kind of good material for evolution study. Due to the rare habitat and complex morphological characters, the taxonomic study of subfamily Makinelloideae was quite insufficient and difficult. The mainly taxonomic questions include the difficult taxonomic delimitation, unclear molecular phylogenetic relationship and controversy in some genera of this subfamily. A comprehensively taxonomic and phylogenetic study here will have an extensive sample collection firstly and then combined the methods of morphological and ultrastructure observation, molecular phylogenetic analyses and a phylogenetic genomics exploration. The results will include the evaluation of the traditional morphological characters and ultrastructure, revision the questions and then forming a more scientific taxonomic system in subfamily Makinelloideae. In addition, the phylogenetic position of this subfamily and relationships of the genera and species within the subfamily will be determined. In the end, a preliminary analysis will be done to explore the inner evolution relationship between the diverse morphology and the habitat transformation. This study will increase the diversity of subfamily Makinelloideae in China, and contribute to the cognition, development, protection and further evolutionary study of this algae.

牧野藻亚科隶属于绿藻门，共球藻纲，卵囊藻科，分布于淡水及亚气生环境。该亚科成员具有多样的形态结构、特殊的群体形成方式及复杂的生境类型，系统演化地位独特，是一类进化研究的良好材料。但由于该亚科植物不易被发现，前人的研究基础薄弱，且形态特征复杂，因此分类的难度较大，存在的问题较多。其主要的分类学问题在于形态特征界定困难，分子系统发育关系不清以及亚科内一些属种存在争议。本项目拟通过广泛的样品采集，联合形态学，超微结构观察，分子系统发育及系统发育基因组学等手段，对该亚科进行一个全面的分类学和系统发育学研究。在此基础上，完成对该亚科植物传统形态和超微结构分类特征的评价，修订已有的分类体系，完善其属种鉴定标准；阐明其系统演化地位和亚科内各属种间的亲缘关系。本项目对我国牧野藻亚科植物的多样性研究具有重要的科学意义，其结果将为该类群藻类的认知、发展、保护和进一步的进化研究打下重要基础。

牧野藻亚科是一类形态类型丰富的小型绿藻，在淡水及亚气生环境中均有分布。该亚科植物群体形成方式独特，是一类结构体制进化研究的好材料。牧野藻亚科传统的分类体系存在形态界定困难、分子系统发育关系不清及一些关键属种存在争议的问题。同时，我国牧野藻亚科的研究也较为薄弱。为解决该科存在的分类学问题，本研究首先于全国11省18市进行了样本采集，共分离纯化藻株30株。我们对每一个株系进行了充分的显微观察和多分子标记获取，部分代表物种进行了亚显微结构的观察。通过经典形态学联合系统发育分析对藻株进行了准确的鉴定，共发现8属12种，并覆盖到除独球藻属之外的所有属和大多数种。在此基础上，本项目已发表新属1个，新种3个，待发表新属1个，新种2个。其次，本研究探索了不同分子标记对该亚科系统发育研究的适用性。结果显示，叶绿体基因rbcL和tufA对于属间和种间的分辨均较为有效，而ITS分子标记对于种间的分类修订最为高效。本研究联合多分子标记构建了可靠的亚科内系统发育关系。由于独球藻属和忽球藻属与原牧野藻亚科较近的亲缘关系和相似的形态，本研究支持将这两属归入该亚科。另外，本研究还发现，该亚科植物内大体存在着一条细胞逐渐变小，叶绿体数量逐渐变少，结构体制逐渐趋于简单化的进化路线。本研究已对牧野藻亚科4个代表种完成了叶绿体基因组的测序和组装。对叶绿体基因组进行的结构分析显示，亚气生种类的基因组与水生种类相比发生了大片段的倒置与重排，并缺失了反向重复区。最后，本研究基于系统发育分析，对该亚科重要的形态特征进行了有效性评价，并构建出新的形态分类检索表，基本完成了对该亚科的分类修订。本研究丰富了牧野藻亚科植物的多样性，对该亚科分类学问题的解决将对其他小型绿藻的分类修订提供新的研究思路。