沙鞭响应气候变化的分布历史研究

The climate changes, especially those occurring in the Quaternary, have seriously affected the genetic structure and evolutionary history through changing geographically distributional ranges of most species. At present, it remains unknown that how desert plants in the arid regions of the northwest China responsed to the Quaternary climatic change due to the lack of fossils, pollen and other related materials. In this project, we aim to investigate the phylogeographic pattern and evolutionary history of Psammochloa villosa, which is a perennial desert xerophytic plant endemic to the Inner Mongolian Plateau and its adjacent areas, based on extensive field samplings and population genetic variation data from the maternally inherited chloroplast DNA (cpDNA), bi-parentally inherited nuclear loci (nDNA) and microsatellites (SSRs). Especially, we will assess the extent and distribution of genetic variations within and between populations within this species, describe the climatic refugia and the following recolonization migration routes in combination with niche modelling, and finally clarify all historical reasons that resulted in the current distributions of this species and ecological factors under such distributions through newly developed analytical approaches and models (e.g. ABC). Our results will not only provide a typical case study for the biogeographical pattern of the xerophytic plants growing in the desert regions of the northwest China to understand how to respond the Quaternary climatic oscillations, but also supply the theoretical basis for further conservation and utilization of these species.

第四纪冰期气候变迁强烈影响着多数物种的地理分布，进而影响其种群遗传结构和进化历史。因缺乏化石、花粉及其它相关资料，对荒漠植物如何响应第四纪冰期气候变迁知之甚少。本项目以内蒙古高原及其毗邻地区特有荒漠草本植物沙鞭为研究对象，在广泛野外调查取样基础上，采用不同遗传背景的叶绿体DNA、多套核基因座位和微卫星位点遗传变异相结合的方法，研究其种群遗传变异分布式样，确定它们在种群内、种群间和整个地理分布范围上的现代分布格局；重点采用群体遗传学和谱系地理学分析方法以及多种种群统计模型模拟检验方法，全面阐述其现代分布种群的谱系进化历史，结合生态位模拟分布变化格局，刻画第四纪温度剧烈下降时的避难所和温度回升后的扩散迁移路线，回答第四纪气候变迁对西北干旱荒漠区植物现代分布格局形成的影响。研究结果为理解西北干旱荒漠区草本植物如何响应第四纪气候变迁提供一个典型生物地理学案例，也为其种质资源保护和利用提供理论依据。

沙鞭是内蒙古高原及其毗邻地区的一个特有荒漠草本植物，对干旱环境有极强的适应性，是研究植物适应干旱环境、响应气候动态历史、挖掘干旱基因资源的理想材料。第四纪冰期气候变迁强烈影响着多数物种的地理分布，进而影响其种群遗传结构和进化历史。然而，由于缺乏化石、花粉及其它相关资料，对荒漠植物如何响应第四纪冰期气候变迁知之甚少。据此，本研究采用不同遗传背景的叶绿体DNA、多套核基因座位和微卫星位点以及生态位模拟相结合的方法，对沙鞭群体水平上的遗传变异分布式样、地理分布格局、进化历史、冰期避难所和回迁路线以及现代分布格局进行了研究。结果表明，沙鞭遗传多样性丰富，种群间遗传分化较高，基因流有限，有性生殖可能以自交为主；叶绿体基因组呈典型的四段式结构；具有明显的谱系地理结构，主要以阴山-贺兰山为界被划分为Group 1和Group 2两个类群，基因流主要从Group 2流向Group 1，阴山山脉、贺兰山、鄂尔多斯高原和雅布赖山可能是沙鞭第四纪冰期的主要避难所；溯祖理论模型检验结果支持Group 1从Group 2分化而来，其可能发生于更新世时期，认为更新世气候变化导致的干旱加剧、沙漠扩张、沙漠生境多样化等共同促进了沙鞭的种群分化，这为更新世气候变化导致的物种形成再次提供了一个典型案例。此外，生态位模拟结果显示，海拔是影响沙鞭潜在分布区最重要的环境因子；末次间冰期（LIG）到当前气候条件下，沙鞭最适分布区面积持续收缩，Group 1和Group 2间存在明显的生态位分化。因此，本研究不仅为荒漠植物沙鞭的种群动态历史变化和地理分布格局提供了新的见解，而且也为以后我国西北干旱荒漠地区的生态恢复、沙漠化防治以及野生牧草种质资源利用提供了科学依据。项目资助期间，共发表和接受发表论文11篇，其中SCI论文6篇；培养和协助培养博士研究生2名，硕士研究生4名；项目资助直接经费41.00万元，支出约33.93万元，剩余直接经费约7.07万元，各项支出与预算基本相符，剩余经费主要用于本项目研究的后续支出。