基于冰期气候变化和东山陆桥的大陆和台湾杉木物种分化研究

The climate change and channel segregation in glacial period had a profound impact on the plant geographic distribution pattern and species differentiation in mainland and Taiwan. As a response for those upheaval, the Chinese fir changed geographic distribution area and species differentiated to two types, which have controversial on classification status of mainland Chinese fir and Taiwan fir. This project is planning to research the phylogeography, species differentiation and phylogenetic relationships of Mainland and Taiwan fir through the morphological analysis, reduced-representation Sequencing(RAD-seq) and chloroplast markers (cpDNA) by using the 19 natural groups Chinese fir we collected in Mainland and Taiwan. We were planned to research the glacial migration history and population dynamics of Chinese fir, and analysis the level of gene flow among populations of Chinese fir in Mainland and Taiwan caused by the Tungshan land bridge, and investigated the influence of distribution patterns and population genetic structure of cross-strait Chinese fir cased by the climate change and channel segregation, and definitude the species differentiation history and classification status of Chinese fir in Mainland and Taiwan. The results of this study have great significance to clarify the population dynamic history and evolution mechanism of cross-strait Chinese fir, and also contribute to better understanding the history of genetic exchanges and species differentiation among the plants in Mainland and Taiwan caused by Tungshan land bridge.

第四纪冰期气候变化和海峡隔离对大陆和台湾植物的地理分布格局和物种分化产生了深刻影响，而杉木对其响应为改变地理分布区，物种分化为分类地位存在争议的大陆地区杉木和台湾杉木两种类型。本项目以课题组多年来收集的19个大陆和台湾杉木天然群体为研究对象，采用形态分析、简化基因组测序（RAD-seq）和叶绿体基因组标记（cpDNA）的方法，研究大陆和台湾杉木的亲缘地理、物种分化和系统发育关系，揭示杉木的冰期迁移历史和种群动态，分析由东山陆桥引起的两岸杉木种群间的基因流水平，探讨冰期气候变化和海峡隔离对两岸杉木地理分布格局和群体遗传结构的影响，明确大陆和台湾杉木的物种分化历史和系统分类地位。研究结果对于阐明海峡两岸杉木的种群历史动态和物种进化机制具有重要意义，也有助于更好的认识藉由东山陆桥的海峡两岸植物基因交流和物种分化历史。

杉木（Cunninghamia lanceolate）是我国南方最重要的速生造林树种。第四纪冰期气候变化和海峡隔离，特别是东山陆桥引起的海峡两岸相连与隔离，对大陆和台湾杉木的地理分布格局和物种分化水平产生深刻影响。长期以来，大陆杉木和台湾杉木两种类型的物种分化水平和系统分类地位存在较大争议。本项目通过收集大陆和台湾野生杉木种质资源，开展杉木天然群体的遗传多样性和形态变异分析，研究大陆和台湾杉木各居群的遗传多样性、遗传分化、基因流水平、物种分化水平和系统分类地位。研究发现：台湾杉木与大陆杉木王形态差异不大，没有明显的形态学分化。分子标记结果显示大陆野生杉木维持着适度的遗传多样性（h=0.3593, I=0.5283），遗传变异的73.16%来源于种群内部，群体结构与地理距离存在显著的相关性(r=0.4275, p<0.01)。利用简化基因组测序技术对大陆和台湾杉木7个群体92份样本进行SNP检测与分析，结果显示大陆和台湾杉木7个群体的遗传多样性差异不大，且遗传多样性较低，台湾杉木的遗传多样性最高（θπ = 5.821*10-3）。Tajima’s D分析也显示大陆和台湾杉木受选择压力值非常相近，最大值SM群体为-0.00835，最小值GD群体为-0.01847。大陆和台湾杉木各群体之间的遗传分化Fst值均较小（平均值0.076391048），TW群体与其它6个群体之间的Fst略大于大陆杉木各群体之间的Fst，但仍然维持在一个较低水平。大陆和台湾杉木群体间存在较强水平的基因流（平均值2.838527333），群体间的遗传分化很小。系统进化分析和PCA分析均显示相同地理来源的个体大多聚集在了一起，而台湾杉木能够独立聚在一起，但与大陆杉木的距离很近。群体结构分析也支持大陆杉木和台湾杉木为一个群体，不存在较为明显的物种分化。因此，本研究认为较低的遗传多样性水平，以及由东山陆桥引起的种群间较强的基因流水平，导致大陆杉木和台湾杉木不存在较为明显的遗传分化和物种分化，杉木和台湾杉木应当为一个群体，即一个 “种”。这可能与东山陆桥引起的海峡两岸杉木基因交流较强且地理隔离时间较短，相似的选择压力也不足以积累足够的遗传变异有关。