新疆特有种额河木蓼的系统位置、起源和物种形成机制研究

Origin of species and speciation have attracted evolutionary scientists for a long time. This project was designed to examine the systematic position, origin and speciation of Atraphaxis jrtyschensis, a shrub endemic to Xinjiang. First, we will construct phylogenetic trees for this species and all possibly related species within Atraphaxis based on DNA sequences from both nuclear ribosomal internal transcribed spacer (ITS) and the plastid trnL-trnF, rbcL, atpB-rbcL, psbA-trnH and matK sequences, together with molecular calibration, in order to determine the systematic position within the genus and its most closely related species and the divergence times between them. Then, we will investigate the diverse morphological traits of this species and all related species, including chromosome, pollen, habits and others, and map these traits on the phylogenetic trees, in order to trace their evolutionary shifts between different states, especially to clarify the woody origin within this endemic species. Finally, we will collect materials to represent major populations of this species and the most closely ones, and use population genetic data to model and test speciation mechanism between this species and closely related ones. This study will offer a new case for speciation and origin of the endemic species to Xinjiang and provide the basis for conserving this endemic resource plant.

额河木蓼是特产于新疆内陆的一个灌木物种，但其系统位置、最近的亲缘种以及与亲缘种分化的物种形成机制一直都不清楚。本研究拟利用分子系统学、广义形态学和群体遗传学证据尝试回答如上问题。首先利用核ITS，叶绿体DNA片段rbcL、trnL-F和matK等6套序列构建额河木蓼、所有可能近缘物种在内的系统发育树，同时进行分子钟标记，回答额河木蓼的系统位置、亲缘物种、以及与亲缘物种之间的分化时间等科学问题；其次，调查额河木蓼和所有相关物种的广义形态学证据，如染色体性状、花粉性状、生活史等，通过分子系统树追溯性状起源过程，确认重要形态性状起源的历史背景和生态原因；最后，采集额河木蓼和最近亲缘物种的多个居群，利用基于群体遗传学证据的物种形成分析和检验，确定额河木蓼与最近亲缘物种之间的物种分化机制。这一研究将为新疆内陆特有物种的形成提供一个典型的参考例子，也将为保护额河木蓼这一特有和珍贵资源植物提供理论依据。

本项目将额河木蓼作为一个模式物种，来进行特有物种额河木蓼的起源和物种形成研究。本研究拟利用分子系统学、广义形态学和群体遗传学证据解决如上问题。首先利用核ITS，叶绿体DNA片段rbcL、trnL-F和matK等５套序列变异构建木蓼属的系统发育树，同时进行分子钟标记，回答额河木蓼的系统位置以及与亲缘物种之间的分化等科学问题；其次，调查额河木蓼和相关物种的广义形态学证据，如叶片、花粉性状等，通过分子系统树追溯重要性状起源过程，确认重要形态性状起源的历史背景和原因；最后采集额河木蓼和亲缘物种的多个居群，利用基于群体遗传学证据的物种形成分析和检验，确定额河木蓼与亲缘物种之间的物种分化机制。主要结果：.我们通过多次野外调查，共发现4个额河木蓼居群，详细记录了分布区各居群的种群大小、生境特点、表型特征、物候期以及花果等性状特征。摸清了额河木蓼以及我国木蓼属的分布情况以及资源家底。.我们筛选出ITS、rbcL、psbA-trnH、trnL-F以及matK五个序列作为该木蓼属的DNA条形码，通过序列比对和系统发育分析比较表明，木蓼属植物并没有形成一个单系群，而是和蓼属（Pologonum）在系统发育树上以很高的支持率聚在一起。基于ITS和叶绿体片段的系统发育分析表明，额河木蓼与刺木蓼和美丽木蓼有很近的亲缘关系。.通过BEAST软件重建了额河木蓼的分化时间，结果显示额河木蓼与近缘种的分化时间为5.56百万年前。额河木蓼独特的针形叶形成于中新世-上新世交界期。在中新世末期，额河木蓼与共同的祖先种，由于天山山脉的隆起，导致其被隔离在了新疆阿勒泰一带，后中国北方气候逐渐变冷，额河木蓼祖先种为了适应干旱寒冷的气候，圆形与倒卵圆型叶片退化，进化为针形叶，逐渐演化成了现在的额河木蓼。.我们选择同域分布的额河木蓼、美丽木蓼以及刺木蓼开展物种形成机制的研究。群体遗传分析表明，刺木蓼与美丽木蓼间存在明显的共享单倍型，且美丽木蓼和刺木蓼之间存在广泛的基因交流，而额河木蓼相对稳定。我们推测杂交是额河木蓼形成的主要原因。