北温带高山植物的起源与进化研究：以水生植物杉叶藻（车前草科）为例

Two main hypotheses have been proposed to explain the origin of arctic-alpine plants: (1) south-to-north migration from temperate mountains during the late Tertiary (2) north-to-south migration during the Pleistocene or by long distance dispersal. Both hypotheses were supported by recent phylogeographic researches, but most of them were focused on terrestrial plants and seldom on aquatic species. In present study, we focus on a north temperate alpine aquatic herb Hippuris vulgaris, as well as its sister species. Our completed work revealed two divergent clades with phylogeographic pattern and narrow “hybrid zone” in China. But we couldn’t address the key questions of the origin and migration route and the process of intraspecific divergence with limited samples. Therefore, we plan to cover the range of H. vulgaris in the world, using cpDNA fragments and nuclear SSR markers and RAD-seq to reconstruct the phylogeny of Hippuris and analyze population genetics. We use BSSVS and ABC simulation to reveal the origin, migration route and demography history of H.vulgaris. Correlation of neutral and outlier loci in RAD data with geographic distance and climate varieties will be estimated to test the divergence pattern of vicariance or adaptation. At last, we discuss the possible effects of Quaternary climate oscillation on the evolution history of H. vulgaris，thus offering a new case study on the origin and evolution of north temperate alpine aquatic plants.

对于北极-高山植物的起源模式有两个观点：1）起源于温带高山地区，在第三纪末期向北极扩散；2）北方地区起源，通过长距离传播或在冰期向南方高山发生迁移。两个观点都得到分子谱系地理学研究的支持，但研究对象多是陆生植物，对水生植物的研究很少。申请人选取北温带高山分布的水生植物杉叶藻及其近缘种进行研究，已完成研究发现中国地区存在两个分化谱系，谱系地理结构明显，且形成杂交带。但由于采样范围的限制，杉叶藻的起源-迁移模式及谱系分化原因等关键科学问题并未解决。本项目拟扩大采样范围，利用叶绿体片段、核微卫星标记和RAD 测序，通过系统发育重建、群体遗传学分析、BSSVS模型、ABC模型、适应性分析，揭示杉叶藻在世界范围的遗传多样性、谱系地理结构及种群历史动态，阐明其起源与扩散路线，解析谱系遗传分化的过程与机制，探讨第四纪气候可能的作用和影响，为北温带高山水生植物的起源与进化提供新的研究案例。

车前草科草本水生植物杉叶藻广泛分布于北温带高山、北方和亚极地地区，其种群进化历史，例如起源于温带高山还是北方地区等问题仍不清楚。本课题在前期对中国范围内群体的亲缘地理学研究基础上，补采世界范围的杉叶藻样品，共200个群体用于实验分析。使用3个叶绿体DNA片段（psbA-trnH、trnQ-rps16和rps16-trnK）,8个核微卫星标记进行系统发育、群体遗传学等亲缘地理学研究。叶绿体数据系统发育分析揭示了除了中国两个谱系（clade A和B），北美和格陵兰岛的群体为第三个谱系（clade C），杉叶藻属另外两个种H. lanceolata和H. tetraphylla都是属于这一谱系。对核微卫星数据Structure和PCoA分析表明杉叶藻群体分化为三个亚组，与叶绿体谱系不完全一致。ABC分析揭示杉叶藻进化历史符合scenario3，即杉叶藻起源于中国高山地区（青藏高原及周边），扩散路线为向西扩散到俄罗斯、欧洲，最终扩散到格陵兰岛和北美。综合上述结果，本研究在广泛采样的基础上，验证了北温带高山分布的水生植物杉叶藻是起源于温带高山，而不是北方地区，为北温带高山水生植物物种的起源与进化模式提供了新的研究案例。杉叶藻属的现在的分类也需要根据分子证据重新修订。此外，本研究还首次对杉叶藻叶绿体全基因组进行了测序和报道。项目资助已发表SCI论文3篇，待发表论文2篇。协助培养研究生1名，正在指导3名本科的毕业设计。项目投入经费25万，支出18.4194万，各项支出基本与预算相符。剩余经费6.5806万元，计划用于本研究的后续支出。