地黄属植物物种分化及群体历史研究

Inference of species histories is important to understand which forces have contributed to the observed patterns of genetic variation in natural populations and the conditions under which new species can arise. Rehmannia includes three diploidy and two polyploidy species, which are allopatrically or parapatrically distributed in China. Based on recent studies, three hypotheses are proposed for speciation of the genus: allopatric speciation - rapid radiation, parapatric speciation, allopatric - parapatric - hybridization polyploidization speciation. In this project, we use tools of molecular population genetics to reveal its spatially genetic structure by micosatellites (EST-SSRs) and DNA sequences of multiple chloroplast and nuclear genes. We aim to discriminate the different speciation scenarios we proposed and investigate the relationship between speciation and the past climate oscillations.

物种群体进化历史研究能够让我们更深刻地了解物种地理分布格局形成的原因以及新物种产生的机制。地黄属植物既存在异域分布、邻域分布形式又存在多倍化现象，是验证异域成种、邻域成种与多倍化成种等多种机制独立或联合作用的极好材料。我们根据现有资料提出地黄属地理分布格局形成的三种理论假设（异域-快速辐射、邻域成种、异域-邻域-杂交多倍化成种）。本项目通过野外调查取样，利用单亲遗传的叶绿体基因和双亲遗传的核基因序列以及中性进化的核微卫星（EST-SSR）遗传标记，依据分子群体遗传学分析方法研究该属植物的物种形成，检测物种分化过程中基因流存在的可能性，揭示其遗传变异的地理分布式样，检验物种分化的各种理论假设，探讨地黄属植物现有地理分布模式的成因及其与过去全球气候环境变迁的相关性。

地黄属物种存在倍性变化与生境差异，为探究地黄属物种分化机制，本项目利用叶绿体基因与核基因分子标记分析了地黄属物种遗传变异的地理模式，探讨了物种隔离分化成因与群体历史，以及种间系统发育关系。研究结果表明地黄属各物种种内种间变异丰富，但地黄与茄叶地黄共享基因库、裂叶地黄与高地黄遗传组成相同，建议分别予以归并，天目地黄与湖北地黄关系密切，二者关系仍待进一步澄清。地黄属是单系群，叶绿体与ITS基因片段支持天目地黄是基部类群，而单拷贝核基因证据支持裂叶地黄是原始类群，这种差别可能与基因进化规律有关，也可能是频繁的种内杂交的影响。地黄属分化于第三纪末期，各物种在历史上（约10万年前）受冰期影响群体大小下降，而后随着气候变暖而扩张。群体历史模拟支持本属符合快速辐射的成种模式，多种分子标记均表明二倍体种间历史上曾存在基因交流；但四倍体物种（地黄）的起源仍需进一步研究。综合遗传、繁殖与生理等研究结果，我们认为高度遗传分化、生殖隔离与特异的生境适应性是地黄属物种稳定性维系的关键因素。