喀斯特地貌特有蕨类植物白垩铁线蕨系生殖方式的研究

Reproduction research of ferns has become hotspots and difficult spots of biologist perhaps due to its late starting compared to the reproduction research of angiosperm. Series Caudata are widespread and its species appear in many kinds of habitates, where some natural hybrids were proved to be existed. Its typical vegetative reproduction was considered to be the important reason for the widespread of hybrids in natural world, because it can increase the chance for survival of hybrids and reduce the fault--diluting fitness in the competing environment caused by the reproductive isolation. Series Gravesiana, endemic in Karst or Danxia landform of China, is derived from Series Caudata. While its reproduction modes remain unclear. Based on existing taxonomic systems of Gravesiana, this project plans to use nrDNA and cpDNA regions, combining with evidence from chromosome ploidy and development study of its gametophyte, to clarify its phylogeny and reproduction delimitation, and to elucidate its probable evolution process in speciation.

蕨类植物的生殖方式研究起步较晚，是研究的热点和难点。铁线蕨属中鞭叶铁线蕨系分布广泛，生境类型丰富，研究表明该系中存在自然杂交种和隐性杂交种；且认为无性繁殖习性（顶端鞭状延伸生长成小植株，营养繁殖），能弥补有性生殖隔离带来的适合度降低的缺陷，增加杂交种在自然界中的存活机会，是杂交种在自然界中普遍存在的重要原因。而白垩铁线蕨系源于鞭叶铁线蕨系内部，其顶端并不能延伸为鞭状，仅生长于中国喀斯特地貌和丹霞地貌，其生殖方式尚不清楚。本项目拟在分类学研究基础上，利用核基因片段与叶绿体基因片段，结合染色体倍性分析和配子体发育研究，对白垩铁线蕨系的生殖方式进行综合研究，探索其物种形成与演化历程。

白垩铁线蕨系（series Gravesiana）隶属凤尾蕨科铁线蕨属，其物种专性生长于丹霞地貌（仙霞铁线蕨Adiantum juxtapositum）和喀斯特地貌（小铁线蕨A. mariesii，龙州铁线蕨A. longzhouensis，齿叶铁线蕨A. dentatum，倒卵叶铁线蕨A. obovatum以及白垩铁线蕨A. gravesii）。这两类不同地貌的白垩铁线蕨系物种，其生殖方式可能不同。且出现一些中间过渡形态的居群或个体推测可能由多倍化或杂交导致。为了探究这些问题，我们对其染色体、配子体发育、以及居群遗传（RAD测序分析）进行了研究。结果表明：(1)白垩铁线蕨系中各个物种的染色体数目存在差异。其中，龙州铁线蕨的染色体数目为2n=60；仙霞铁线蕨的染色体数目为2n=64，此种细胞型在铁线蕨属植物种首次出现；小铁线蕨具有两种细胞型，分别为2n=60和2n=c.120；白垩铁线蕨出现了四种细胞型，分别为2n=60、2n=120、2n=c.150及2n=c.180，其不同细胞型对应的植株在形态特征上也存在差异，表明这两物种的居群间发生了染色体多倍化，推测白垩铁线蕨和小铁线蕨为两种复合体且白垩铁线蕨出现了杂交，以上物种的染色体数目均为首次报道。(2)除倒卵叶铁线蕨未观察到孢子萌发方式外，其余5个物种的孢子萌发方式均为书带蕨型（Vittaria-type）；白垩铁线蕨系在原叶体发育类型上存在差异，其中白垩铁线蕨、仙霞铁线蕨、龙州铁线蕨和小铁线蕨的原叶体发育类型为铁线蕨型（Adiantum-type），最终形成心脏形原叶体；齿叶铁线蕨和倒卵叶铁线蕨的原叶体发育类型为Kaulinia-type，并形成了Ribbon-shaped原叶体，此种配子体发育类型以及原叶体形态均在铁线蕨属植物中首次出现。推测小生境差异导致白垩铁线蕨系物种的原叶体形态产生差异。(3)简化基因组RAD测序分析发现，白垩铁线蕨系植物可以分为8个较高支持率的分支，其中，仙霞铁线蕨、龙州铁线蕨和小铁线蕨各自形成分支；齿叶铁线蕨和倒卵叶铁线蕨共同形成一个分支；白垩铁线蕨则形成了4个分支。遗传结构分析显示白垩铁线蕨部分支和小铁线蕨具有2个或2个以以上遗传成分，推测白垩铁线蕨和小铁线蕨存在杂交或者多倍化现象。