青檀的分子谱系地理学研究

It is now well appreciated that the climate oscillations and environmental changes of the Quaternary resulted in the current composition, distribution and evolvement of the plant flora in China. However, currently, few studies have focused on the scientific issues, such as glacial refugia, postglacial recolonization and its formation mechanisms of plants in central and eastern China. As a tertiary relict endemic to the mainland of China and widely distributed in limestone mountain regions, Pteroceltis tatarinowii Maxim (Ulmaceae) is considered to be an ideal material for, on a broad geographical scale, investigating the mechanisms that how the plant flora in central and eastern China responded to influences of the Quaternary glaciation. In this project, initially, the level of genetic variation, its spatial distribution patterns and the phylogenetic relationships among geographic populations of the species across all the current distribution regions were characterized based on the sequence variations of three unlinked single-copy nuclear genes and two chloroplast non-coding intergenic spacer regions (trnS-trnG and psbA-trnH). Then, the above results combined with evidences from the palynology and geology was used to have an insight into the glacial refugium and postglacial recolonization routes of the species. Results of this project will not only provide valuable evidences for exploring the mechanisms that how the plant flora in central and eastern China responded to influences of the Quaternary glaciation but also provide scientific basis for the conservation of wild germplasm resources of the species.

第四纪的气候变迁和环境改变对我国植物区系的组成、分布和演化产生了深刻的影响。然而，目前关于我国中东部地区的植物冰期避难所、冰后期拓殖路线及其形成机制等关键问题的研究还很匮乏。青檀为我国特有落叶乔木，是一种广泛分布于石灰岩山地的第三纪孑遗植物，因此，是在大尺度上探寻我国中东部地区植物区系对第四纪冰川响应机制的理想材料。本项目拟在整个分布区大量野外调查和取样的基础上，通过检测3个非连锁单拷贝核基因（双亲遗传）和2个叶绿体基因psbA-trnH和trnS-trnG（母系遗传）的序列变异，分析青檀自然种群遗传变异的空间分布格局和种群间的基因流，重建青檀地理种群间的谱系关系，结合孢粉学和地质资料推测该物种冰期避难所和冰后期扩张路线。研究结果对揭示我国中东部地区植物区系对第四纪冰期气候变迁响应模式具有重要意义，同时，为青檀野生种质资源的保育提供科学依据。

本研究采用双亲遗传的细胞核标记(SSR)和母系遗传的叶绿体标记(psbA-trnH和trnS-trnG)，运用群体遗传学和谱系地理学相结合的方法，探讨了青檀的遗传变异水平、分布格局及其成因，结合气候变迁，追溯了青檀的种群历史，推测了青檀冰期避难所和可能的扩张路线。主要结果如下：.1.cpDNA和SSR检测分析均显示：青檀的遗传多样性处于较高水平(cpDNA: 单倍型多样性h为0.81，核苷酸多样性π为3.18×10-3;SSR: 等位基因、预期杂合度和观察杂合度分别为6.373、0.679和0.696, 总遗传多样性Ht为0.832，种群遗传多样性Hs为0.718)。这主要与该物种漫长的进化历史、广泛的地理分布、生活周期长以及繁育系统相关。.2.从遗传变异分布格局上看，两种分子揭示的结果不一致。cpDNA检测发现青檀的遗传变异主要存在于种群间（cpDNA: Nst = 0.909， Gst = 0.776），而SSR检测发现青檀86.26%的遗传变异存在于种群内，13.74%的遗传变异存在于种群间。这主要和两种标记的遗传方式不同有关，前者是细胞质遗传，基因流主要来自于种子流，后者是细胞核遗传，基因流主要来自于花粉粒和种子流的共同作用。.3.青檀的遗传分化和地理隔离在整体上呈现弱相关性，在地区水平上，华北地区青檀遗传分化和地理距离无相关性，而在华南地区二者呈现中度相关性。分析认为，这与华南华北生境异质性和气候波动影响程度有关。.4.基于青檀叶绿体单倍型的分布和亲缘网络图分析发现，在华北地区尤其是沿海一带单倍型单一，错配分析预测该地区在2.4万年前发生局部扩张事件。而华南地区尤其是云贵高原及其以东、南岭-武夷山脉等邻近山系、秦岭地区单倍型多态性和特有性现象显著，可能是青檀主要的避难所。另外，还发现部分隐匿避难所，如北京十渡、安徽泾县和青阳。.5.依据以上研究结果，在青檀种质资源的保护上，对于遗传多样性较高的种群，包括:YL、QY、LKS和SD需要加以关注。对于遗传多样性低的种群，如ZF、QTS 和 DL，可以通过适当的人为就近移栽，加大基因流，防止可能的后续遗传漂变而失去一些特定的等位基因，从而为未来的青檀培育保留遗传资源。