基于cpDNA和SSR分子标记的蒙古韭居群遗传结构和进化历史研究

Population structure and genetic differentiation of species is a very important and attractive research focus in evolutionary biology in recent years, and its research results play a significant role to understand evolutionary history and formation mechanism of species. Allium mongolicum is endemic to central Asia and desert areas in northern China, mainly growing on sandy lands or gravel slopes of Xinjiang, Qinhai, Gansu, Ningxia, Northern Shanxi, Inner Mongolia and Western Liaoning. It is a typical desert plant and a field vegetable in desert areas. The aim of this study is to examine the population genetic structure, genetic differentiation among populations, and phylogeographic and evolutionary history of A. mongolicum on the population level, using cpDNA (accD-psaI、psbA-trnH、trnL-trnF) and SSR markers. Especially, the present study highlight the genetic variation distribution, gene flow, genetic diversity and its distributional pattern within and among populations of the desert plant, revealed by different DNA markers with contrasting genetic modes, and elaborate the historical causes and formation process of the population structure. The results of this study will provide important theoretical basis for understanding species/population evolutionary history and potential as well as the genetic resource conservation of Allium mongolicum.

物种居群结构和遗传分化是近年来进化生物学领域十分重要、也是最受关注的一个研究热点，其研究结果对于理解物种进化历史和形成机制具有重要意义。蒙古韭Allium mongolicum 是中亚及我国北方荒漠地区的特有种，主要分布在新疆、青海、甘肃、宁夏、陕北、内蒙和辽宁西部的沙地或石质山坡上，是一种典型的沙生植物和沙区野生蔬菜。本项目以它为研究对象，在居群水平上采样，利用cpDNA（accD-psaI、psbA-trnH、trnL-trnF）和SSR两套具有不同遗传背景的分子标记，研究其野生居群的遗传结构、居群间的遗传分化状况和谱系地理学特征，重点揭示不同遗传背景分子标记所反映的物种遗传变异的分布状况、种内基因流特征和遗传多样性及其分布格局，阐述种群遗传结构形成的历史原因和过程，为深入认识蒙古韭物种/居群的进化历史和发展潜力以及保护其野生种质资源提供参考。

蒙古韭是典型的沙生植物，为蒙古高原特有种，广泛分布于我国北方沙地或石质山坡上。本研究利用叶绿体DNA（accD-psaI和psbA-trnH）和SSR两套具有不同遗传背景的分子标记，研究了该物种38个野生居群的遗传结构、地理分化和居群历史，结果表明：在38个居群的418个个体中共检测到14种叶绿体单倍型，其中H2、H6和H4三种单倍型为主导地位，且分别占据不同地理区域，其余大部分单倍型为稀有单倍型或仅在少数几个居群中出现。根据叶绿体单倍型空间分布可将所有居群划分为3个组：贺兰山以东的典型草原沙地居群组（中东部居群组）；贺兰山以西的荒漠、戈壁和荒漠草原沙地居群组（中西部居群组）；新疆居群组（西部居群组）。每组都具有与其它组明显不同的主导单倍型。这种遗传结构同时得到基于cpDNA的BARRIER分析结果和基于SSR多态性的STRUCTURE分析结果的支持，表明蒙古韭在我国北方整个地理分布范围内存在区域尺度上的隔离分化。整个地理分布区叶绿体DNA群体遗传特征表现为：单倍型总的遗传多样性（HT=0.693）显著高于居群内平均遗传多样性（HS=0.180），居群的分化指数高（GST=0.740, NST=0.759），基因流低，谱系地理结构明显（NST>GST，P<0.05）；遗传变异主要分布在组间（FCT =0.700）。基于叶绿体遗传变异的中性测试和失配分布分析以及基于最大熵模型的生态位模拟分析结果均支持蒙古韭中东部居群和中西部居群分别经历了区域尺度上的快速种群扩张过程。蒙古韭可能在第四纪冰期前就因高山和沙漠等地理屏障的出现而发生了隔离分化，第四纪冰期与间冰期的反复影响导致其居群迁移扩张和现有遗传格局的形成。叶绿体单倍型分布模式表明蒙古韭每个组的地理居群可能具有不同的祖先来源，对应的三个分布区应该拥有不同的冰期避难所，其中贺兰山以东的居群在末次大冰期（LGM）/末次间冰期（LIG）之后应该经历了向东和向北方向的扩散过程，而贺兰山以西的居群则经历了向西北方向的扩散过程。