花柱二型性水生植物莕菜的分子谱系地理学研究

植物性系统的多样性在进化生物学研究中已成为揭示植物居群生态过程及其进化的模式系统。异型花柱（包括二型花柱和三型花柱）是自然界中较为典型的植物性系统之一。花柱异型现象现已成为了进化生物学工作者研究植物进化和适应问题的经典范例。但对于花柱异长的起源、维持及其演化机制等问题依然是需进化生物学工作者进一步作深入研究的问题。莕菜（Nymphoides peltata (Gmel.) O.Kuntze），为花柱二型性多年生水生浮叶植物。本项目拟采用分子标记和测序技术，在广泛野外调查和取样的基础上，对分布于中国的莕菜进行居群遗传学和分子谱系地理学研究，从当前和历史的角度，揭示具不同性系统的莕菜居群的遗传变异的地理分布模式，同时探讨这种模式形成的成因，阐明具有不同型比的莕菜居群的起源与演化，尤其是具单型花柱居群的起源,为理解自然界中植物性系统的多样性的成因提供资料。

经过三年的野外调查及室内实验分析，本课题组已基本按照计划完成所定的内容，同时根据研究结果情况适时对实验中出现的新的情况进行了安排。在此期间，项目组在花柱二型性水生植物莕菜的野外调查统计、居群克隆多样性、遗传多样性及分子谱系地理学方面取得了一定的研究结果：（1）2010年5月至2011年11月于吉林、辽宁、黑龙江、内蒙古、新疆、西藏、云南、四川、湖北、陕西、安徽、河南等12个省份，共找到51个莕菜居群，每一居群都取了分子材料，同时统计了莕菜居群内花柱型比；（2）基于SSR分子标记对莕菜21个代表居群进行的克隆多样性研究，结果表明莕菜居群内克隆多样性较高，每个居群都有2个或者2个以上的基株，没有单克隆形成的居群。二型花柱居群和单花柱居群间的平均克隆多样性有明显的差异。单花柱居群缺乏可亲和的花粉来源，结实率低有性繁殖幼苗的补充率不足。另外，居群建立时的奠基者效应也可能造成两种居群间的差异；（3）基于SSR分子标记对21个莕菜居群进行的遗传多样性及遗传结构研究表明莕菜居群目前维持较高的遗传多样性水平，居群间存在一定的遗传分化，但莕菜自然居群地理距离和遗传距离没有显著的相关性。我们认为单型花柱居群的起源不是单一克隆的奠基者效应造成的，而是先前具有多基因型的居群由于环境的变化造成的瓶颈效应使得某种花柱型的适合度发生改变，从而从该居群中消失；（4）通过对莕菜48个居群样品四个叶绿体非编码区进行测序分析，并综合SSR和AFLP分子标记对这些居群的遗传变异的研究，我们发现莕菜居群遗传变异的地理分布模式不是太明显，长距离扩散、居群扩张以及近期的居群奠基者效应及瓶颈效应等很可能是导致以上遗传变异模式的主要原因。这些研究为我们理解莕菜花柱型比例失衡的原因，尤其是普遍存在的单型花柱居群的起源提供了新的视野。莕菜具有较强的克隆繁殖，通过以上研究我们也发现，测序研究不能在居群内监测到更多的遗传多态性，SSR分子标记较好，但可利用的SSR分子标记却有限，因此，为了获得大量的能用于居群遗传学和分子谱系地理学研究的分子标记，我们开展了莕菜转录组测序工作并在此基础上开发了约200对有效的SSR引物，为我们进一步开展莕菜居群遗传学及花柱二型性的遗传学机理提供了资料；为了更好地理解中国莕菜的物种分化机制，在本项目的支持下，我们还选取了泽泻亚纲部分科属和水蕨属等的部分物种作为对照材料，开展了相关的对照研究并取