甘草属植物自然杂交起源和不同环境选择压力下杂交区物种的基因渗入、适应进化研究

Natural hybrid phenomena exist in three plants of Glycyrrhiza uralensis Fisch., Glycyrrhiza inflata Bat. and Glycyrrhiza glabra L. It causes much difficulty in identification and classification for complex species from different hybrid zones. Therefore, we are to investigate natural hybrid origin, introgression and adaptive evolution of the complex species from hybrid zones formed by desert, natural forest and reclaim land border. Firstly, we are to analyze the morphological traits, internal transcribed spacer (ITS) on nuclear ribosomal DNA, the rbcL gene, the matK gene, and the trnH–psbA intergenic region on chloroplast DNA (cpDNA) for evidence of hybridization. Then, we are to study the difference of the extent, direction and dynamics of introgression among the three species in hybrid zones for exploration the effects of natural hybrid on differentiation and speciation in Glycyrrhiza L under different environmental selection pressures. Furthermore, we are to comparatively analyze pollen flow, genotypes and fitness of seedlings among parental species and the hybrids for discussion on adaptive evolution of hybrid species.

本项目针对甘草属乌拉尔甘草、光果甘草、胀果甘草分布结合区的自然杂交、杂交类群的复杂性和争议种的分类鉴定问题，对3种不同生境（荒漠、自然林、人工开垦地边缘）下形成的自然杂交区，开展杂交类群的杂交起源、杂交区物种构成、基因渗入、适应进化研究。首先通过形态性状、nrDNA的ITS和cpDNA的片段（rbcL、matK、trnH-psbA）测序、变异位点分析，阐明自然杂交区的杂交类型及亲本来源，揭示自然杂交种和困难类群的身份；在此基础上，联合SSR分子标记和DNA序列分析方法，研究3种不同生境下杂交区的构成、基因渐渗方向和程度，揭示不同环境选择压力下，自然杂交对甘草属物种形成和分化的影响；最后，通过种子园试验，比较亲本及其杂交后代的花粉流和幼苗适合度，探讨杂交的适应性进化意义。研究对揭示甘草属物种杂交进化机制以及系统分类、种质资源的合理利用具有重要意义。

本项目针对甘草属乌拉尔甘草（Glycyrrhiza uralensis Fisch.）、光果甘草（Glycyrrhiza glabra L.）、胀果甘草（Glycyrrhiza inflata Bat.）的种间杂交和争议种的分类鉴定问题，开展自然杂交区的杂交物种起源、基因渐渗、适应进化研究，对分类学疑难种进行修正和界定。取得主要结论如下：. ⑴基于形态性状分类和叶绿体DAN+ITS序列对134份样本进行单倍型和杂交起源分析，共检测到16种单倍型（24个亚型），包括亲本种（3）、渐渗亲本种（5）、种间杂交类型（8），渐渗杂交类型（5），隐性杂交种（3）；3种药用甘草作为父、母本均参与了自然杂交过程，主要杂交类型为G.uralensis×G.inflata和G.glabra×G.inflata，分别占杂交类群的50%、39.2%。. ⑵11个自然分布区（亲本和杂交区），计542份样本的NewHybrids和Structure分析表明，自然杂交区物种组成包括亲本种、F1、F2、单向或双向回交渐渗种；但不同杂交区（人工开垦地缘、自然林、荒漠）的亲本及杂交类型、杂交渐渗方向和渐渗程度不同，受原生境土壤水、盐因子驱动和环境敞闭度影响。原生境土壤水、盐因子驱动下的杂交区内亲本种类型、杂交渐渗方向、渐渗程度的差异是甘草属杂交物种形态分化和物种多型性出现的主要原因。. ⑶种子园试验和花粉流检测结果显示亲本、杂交类群后代幼苗适合度具有显著差异。亲本种中以胀果甘草（G.inflata）自然授粉后代幼苗适合度最高，其幼苗表型稳定、杂合率低、抗（干旱、盐）性强；不同单倍型的杂交类群自然授粉后代幼苗表型分化程度、杂合率、抗（干旱、盐）性受其亲本类型和杂交渐渗程度的影响，适合度介于亲本之间。. ⑷与叶和果荚相关的12个形态性状是甘草属形态学分类的重要依据；疑难种或渐渗种的分类学处理，建议按照形态学性状所在的亲本物种变异范围，参照亲本物种进行命名，但要附杂交组合或渐渗物种来源，以避免药用甘草种质资源应用的混乱。. 研究理清了形态分类难以辨别的渐渗种、疑难种的真实身份，弥补了形态分类鉴定的不足。对甘草属的物种形成机制、种质资源的分类鉴定和合理利用具有重要意义。