第三纪孑遗属马蹄荷属的物种分化及谱系地理学研究

Phylogeographic studies on Tertiary relict plants can provide theoretical foundations to understand the characters of the Tertiary flora and the effects of ancient climate and geological changes on global flora. However, most recent researches pay attention to temperate and subtropical plants, and few studies focus on tropical Asian relict species. Exbucklandia (Hamamelidaceae) is an important component of the Tertiary flora. For this genus, there are ample Tertiary fossil records in Asia and North America. Currently Exbucklandia species are also dominant in the subtropical and tropical mountain forests in East Asia flora (southwest and south china) and the tropical flora (west Malaysia). There are still controversies on whether E. longipetala Chang and E. tricuspis should be treated as synonyms of E. populnea (R. Br.) R. W. Brown. Thus, phylogeographic study on the genus Exbucklandia should provide valuable clues about the characters of the Tertiary ancient tropical flora and add new materials about the effect of ancient climate and geological changes on global flora. In this study, we aim to apply e double digest RAD-seq technology in combination with chloroplast fragment sequencing to study the speciation and phylogeography of Exbucklandia. Through these efforts, we hope to get insights into the origin, the positions of its refugia, and the dispersal histories of Exbucklandia, figure out the factors affecting its current dispersal patterns, and understand deeply the diversification of the tropical Asian flora.

第三纪孑遗植物的谱系地理学研究可为揭示第三纪植物区系特征，古气候及地质变化对全球植物区系的影响提供重要的理论基础。金缕梅科马蹄荷属是第三纪植物区系的重要组成成分，在亚洲及北美第三纪地层均具有丰富的化石记录，其现代分布区跨东亚植物区（西南及华南）、古热带植物区（西马来）两大区域。其次，马蹄荷属内现存物种数2-4种，但存在明显的争议，长瓣马蹄荷、三尖马蹄荷是否成立需要新的形态学和分子系统学证据。本项目拟通过简化基因组测序技术（ddRAD）与多个高变叶绿体位点的测序，开展马蹄荷属物种分化及谱系地理学的研究，结合化石、古地质、古气候环境数据等，探讨马蹄荷属的起源、迁移、扩散路线，以及第三纪事件及更新世冰期对其现代分布格局成因的影响等，以期为进一步探讨热带亚洲植物区系的物种多样性特征及其分布格局提供新的证据。

马蹄荷属隶属于金缕梅科马蹄荷亚科的单型属，曾广泛分布于欧亚大陆和北美大陆，现仅存于亚洲热带-亚热带。该属仅存 4个种，近年来本属研究仅局限于形态学的描述等。本研究通过对马蹄荷属4个物种进行广泛的居群采样，群体样品的叶绿体位点测序及SSR遗传多样性及居群结构分析，结合代表性个体的浅层基因组测序，提取其叶绿体基因组序列及核糖体ITS，构建系统发育树并估计分歧时间，探讨马蹄荷属的种间关系及谱系地理分化格局等。.1）样品采集：采样遍及马蹄荷属分布区，包括中国东南部大果马蹄荷、中国西南部马蹄荷、中国贵州分布的长瓣马蹄荷及越南及马来西亚等地区三尖马蹄荷等，共收集马蹄荷属4个物种共计60个居群的1171个体。2） 基于高通量测序的马蹄荷属系统发育研究：成功完成35个代表性个体的基因组重测序，成功组装其叶绿体基因组全长。基于叶绿体基因组序列全程构建马蹄荷属系统发育树，马蹄荷属可以被划分为3个分支，支持马蹄荷、三尖马蹄荷及大果马蹄荷各为独立分支，三尖马蹄荷位于基部。3）基于核糖体DNA全长序列构建的系统发育树，支持上述3者构成独立分支，但马蹄荷分支位于基部。4）4个叶绿体片段群体测序分析共检测到21个单倍型，与基于叶绿体基因组构建的系统发育树呈现类似结构。5）基于马蹄荷浅层基因组测序，设计并合成了140对SSR引物，其中24对在马蹄荷属内成功扩增并具有多态性; 6) 基于21引物在马蹄荷属居群中扩增表明：马蹄荷属全部50个居群可以划分为两大基因池：马蹄荷全部居群及三尖马蹄荷在马来-印尼的2个居群主要表现为基因池A, 大果马蹄荷及长瓣马蹄荷主要表现基因池B，而三尖马蹄荷在越南的4个居群主要表现为两大基因池的混合。综上所述，提出现存马蹄荷属起源于热带亚洲，随着东亚季风的建立扩散至我国南部，向东分化为大果马蹄荷，向西分化为马蹄荷，两者杂交形成长瓣马蹄荷；随着全球变冷，马蹄荷及大果马蹄荷南下迁移，与热带本地三尖马蹄荷发生杂交渗入等。