青藏高原橐吾属同域近缘种生殖隔离机制的研究

Reproductive isolation is a crucial step in speciation. In fact, the evolution of reproductive isolation is central to the speciation process . Understanding the types of barriers that contribute to reproductive isolation will help elucidate the conditions under which speciation is likely to occur and the role of natural selection in speciation. Previous studies have shown although sympatric closely related two species, Ligularia virgaurea (Maxim.) Mattf and Ligularia sagitta Mattf. have overlapping phenophase, very similar floral structure, common pollination insects, there are no any natural interspecific hybridization. In this research, wild investigation, analysis of Chemical Constituents of the Volatile Oil from floral and DNA Molecular Marker methods will be employed to compare floral phenology, process of pollination biology, investigate pollen and stigma vitality, pollen competition and postzygotic reproductive isolation mechanism of the L. virgaurea and L. sagitta. Object is to reveal the reproductive Isolation mechanism of the sympatric closely related two species with a relatively short evolutionary time in Qinghai-Tibet Plateau, analyses the impact of different altitudes on isolation mechanis, and composing of isolation mechanis and their contribution to maintain species identity and prohibit interspecific hybridization.

生殖隔离机制的建立是物种形成的关键，物种形成过程就是生殖隔离机制的建立和进化过程,揭示各种隔离机制有助于理解物种多样性的维持机制和自然选择在物种形成中的角色。本项目在前期已完成的青藏高原三种橐吾属植物生活史对策的研究中发现，在同域分布的开花物候重叠、花结构相似、传粉昆虫泛化的黄帚橐吾和箭叶橐吾之间，没有发现任何杂交现象，而分布于云南的同属植物之间已发现多个杂交种。针对上述问题，本项目选择同域分布的近缘种黄帚橐吾和箭叶橐吾为研究对象，应用野外观察、花部挥发油成份分析和DNA分子标记等方法，在不同海拔高度，通过对两种橐吾花期物候的比较观察、传粉生物学、花粉活力和柱头活力到花粉竞争及合子后隔离机制等的全面研究，揭示进化历史较短的青藏高原同域近缘种黄帚橐吾和箭叶橐吾间的生殖隔离机制，分析环境条件对隔离程度的影响，确定隔离机制的构成因素及其在植物保持种的遗传完整性和阻止种间杂交可能性中的贡献。

本项目以青藏高原东缘同域分布的主要草原杂草黄帚橐吾和箭叶橐吾，对两个近缘物种的花期物候和时间隔离、传粉生物学与访花昆虫、花粉-柱头亲和性等生殖隔离关键成分以及花香成分等进行了系统观察、检测，研究了黄帚橐吾和箭叶橐吾种间的生殖隔离障碍及其相对作用。连续三年在野外观察表明，两种橐吾的种群花期约为25-30天，其中箭叶橐吾花期明显晚于黄帚橐吾，两者花期虽然有一周左右的重叠期，但盛花期相差约20天，推测不完全的时间隔离可能在黄帚橐吾和箭叶橐吾种间生殖隔离中起一定作用。种间人工杂交实验及花粉-柱头亲和性研究发现，种间授粉的花粉在柱头上不易附着、萌发率低，花粉管生长明显缓慢，并会因胼胝质的堆积而阻止花粉管进入花柱，这表明花粉与柱头的不亲和性可能是两种橐吾最主要的合子前生殖隔离机制。野外观察发现，黄帚橐吾和箭叶橐吾均为虫媒传粉，访花昆虫基本一致，共有3目11科昆虫访花，由泛化的传粉者传粉，不存在传粉者隔离。多样的传粉者为异花传粉增加了成功的机会,可能是其对高寒环境传粉昆虫缺乏的一种适应对策。箭叶橐吾与黄帚橐吾主要花香成分均为烯烃化合物，种间很小的成分差异也未引起昆虫访花的偏好。此外，对箭叶橐吾等3种橐吾属植物幼苗对高寒环境的适应能力进行了比较分析，发现它们在幼苗阶段均具有良好的适应青藏高原高寒气候环境的生活史对策。上述结果表明：种间花粉-柱头的不亲和性和不完全的时间隔离等因素是同域分布的两种橐吾属近缘种间生殖隔离的主要成分，其中种间花粉-柱头的不亲和性可能在阻止种间基因交流方面起关键作用，这些结果为揭示高原地区近缘物种的生殖隔离和进化机制提供了依据。