蝴蝶兰属的系统发育与生物地理学研究

Phalaenopsis Bl. is one of the most popular genera of Orchidaceae, which have highly ornamental and commercial values. Since discovery, the classification within this genus and relative genera was complicated due to the lack of natural morphological characteristics and stable molecular phylogram. Phalaenopsis is distributed in Southeast Asia, and this complicated region which suffered from a rapid fluctuate of paleo-climate and tectonic change, could facilitate the origin and diversification of the flora. Moreover, the fragmented habitat and the alternative happened dispersal and vicariant events which shaping via the dynamic change of this region, could contribute to the possibly reticular evolution within Phalaenopsis. In this study, we will perform a low-coverage high-throughput sequencing for 61 species within this genus, and using the bioinformatics methods for Single Nucleotide Polymorphism (SNP) calling. We aim to reconstruct a more stable phylogenetic relationship for advancing the classification treatment, estimate the divergent times and reconstruct the ancestors' distributed area for supporting our biogeographic scenario, and detect the possibly reticular evolution within Phalaenopsis.

作为兰科植物的一员，蝴蝶兰属具有极高的园艺价值和经济价值。长期以来，蝴蝶兰属下分类较为混乱。大量人为形态特征的应用以及缺乏合理的系统发育关系是最为主要的原因。蝴蝶兰属分布于东南亚地区，该地区复杂的地质事件与海平面的波动对其上类群的起源与分化产生了极大的影响，特别是生境的破碎化与周期性产生的陆桥使得隔离与传播事件交替发生，催生了可能存在的网状进化。处于这样复杂的地区，我们无法基于现有的数据来还原蝴蝶兰属的生物地理历史并探究其起源与分化的具体原因。本研究拟通过对蝴蝶兰属物种进行低深度的全基因组测序，在蝴蝶兰属参考基因组存在的情况下获取大量高精度的SNP位点，对蝴蝶兰属进行系统发育关系构建，生物地理学分析，并识别可能存在的网状进化。

兰科蝴蝶兰属植物因其独特的分类地位和极高的园艺价值受到公众和科学界的关注。蝴蝶兰属下分类混乱，具体表现在基于形态特征的 Christenson 五亚属系统与基于分子系统学的四亚属系统未能达成一致，部分类群的系统分类地位仍未确定。原蝴蝶兰亚属 subg. Phalaenopsis 中各组的系统发育关系呈并系，版纳蝴蝶兰的系统位置不明确，蝴蝶兰组的系统位置不明确，柏氏蝴 蝶兰亚属中各组为并系，以及象鼻兰和洛氏蝴蝶兰的分类归属等等。由于缺乏合理的 分子系统发育关系，以及大量非单源形态特征的应用，以上问题一直无法得到解决。由于缺乏稳定的系统发育关系，蝴蝶兰属自然物种的起源与演化、物种形成与扩散动力仍然存疑。理清蝴蝶兰属下的系统发育关系以及地质历史对于物种分化的影响，对 阐明蝴蝶兰属物种的生物地理历史，以及探究其起源与分化的具体原因具有重要的科 学意义和现实价值。本项目研究结果（1）确定了裂唇蝴蝶兰组内不同分支例如版纳蝴蝶兰的确切分类位置， 版纳蝴蝶兰不与鹿角复合群形成单系；象鼻兰和洛氏蝴蝶兰与落叶蝴蝶兰组成单系群， 应归属于落叶蝴蝶兰组。（2）推测蝴蝶兰属不同分支的分化时间与驱动力，结果表明，第四纪气候变化导致的海平面波动是蝴蝶兰属分化和物种爆发的关键原因，其中裂唇蝴蝶兰组是响应该气候变化的主要类群。（3）ATG 相关基因分析显示兰科与蝴蝶兰属具特有的结构域，裂唇蝴蝶兰组成员存在特有的 ATG8 分支；R2R3MYB 基因家族揭示蝴蝶兰属存在分支特异性的扩张与收缩。以上特异性分化在拟南芥中的同源基因与参与形态建成和环境适应性进程，是今后蝴蝶兰属适应性研究和进化分析的候选基因。此外本研究构建了蝴蝶兰属稳定的质体系统发育关系，阐明了该属的物种多样性与古气候和地质变化的关系，以及适应性可能的分子基础。以上结论也为今后蝴蝶兰属、以及兰科植物的系统分类与进化生物学研究提供实例。提供的叶绿体数据和转录组数据的解读也为蝴蝶兰属的亲本鉴定、分子育种以及资源保护奠定了基础。