中—日间断分布植物双花木属的种内分化与分子谱系地理研究

Disanthus, the oldest genera of Hamamelidaceae, is an endangered monotypic genera and relic species, which is endemic to eastern Asia and Sino-Japanese disjunct. In this project, using the systematic and phylogeographic methods, we will investigate all the existing populations, collect samples, examine the variation features in cpDNA, nrDNA or mtDNA, and combine the study of morphology, palynology and cytogeography, to compare the variations of traits and gene sequence in various populations, construct phylogenetic trees, test the distribution of cpDNA haplotypes, study intraspecific differentiation of Disanthus and reveal glacial refugia and temporal-spatial distribution pattern of its populations. And we will use the methods of coalescent theory, nested clade analysis and Bayesian analysis, combining with geologic data and related fossil evidence, to speculate the origin area and the divergence time of Disanthus( especially two subspecies between China and Japan). Based on the results, we can discuss the mechanism of intraspecific differentiation, molecular biogeographic structure and the migratory routes of Disanthus. It is important for understanding the intraspecific differentiation and biogeographic patterns of Disanthus, and will help us to know more about the processes of the phylogeny and the biogeographic history of Hamamelidaceae and the evolution process of Sino-Japanese floristics.

双花木属Disanthus是金缕梅科的原始类群，为东亚特有濒危的单种属植物和典型的中-日间断分布的孑遗成分。本项目拟应用植物系统学和谱系地理学方法，在现存居群植物区系地理广泛调查采样的基础上，研究该属的叶绿体DNA、细胞核或线粒体 DNA 的多个基因组（片段）序列变异特点，结合其形态解剖学、孢粉学和细胞地理学等研究，比较各居群的性状和基因序列变异，构建系统发育树，检测叶绿体DNA单倍型的分布与关系，揭示其冰期避难所和居群时空分布规律；并结合地史资料和相关化石证据，应用溯祖理论、巢式分支分析和Bayes分析等来推测物种可能起源地和重要支系（特别是中国与日本两亚种间）的分歧时间，从而探讨双花木属的种内隔离分化机制、分子谱系地理结构和扩散迁移路线。本研究对于弄清双花木属的种内分化和生物地理格局形成过程有重要意义，并有助于认识金缕梅科植物的系统发育和生物地理历史及中-日植物区系地理的演变过程。

本项目首次全面调查和广泛采集了双花木属（Disanthus）现存16个居群（中国10个、日本6个）样本，应用植物区系地理学方法分析了长柄双花木群落特征与居群动态；应用植物系统学和谱系地理学方法，研究了该属3个叶绿体 DNA（psbA-trnH、rps16F-R2、psaA-ycf3）、核糖体ITS基因（片段）单倍型序列变异和地理分布格局，居群遗传多样性和遗传结构；结合地史资料和相关化石证据，应用Bayes 方法估算了中国与日本两亚种间的分歧时间，推测其冰期可能避难所和分子谱系地理结构及扩散迁移路线。. 宏观方面研究结果表明，双花木植物群落区系具有温带向亚热带过渡的性质；灌木层的物种丰富度指数和Shannon-Wiener指数高于乔木层，而乔木层的Simpson指数和均匀度指数高于灌木层；双花木种群处于增长型的阶段。. 微观方面研究结果表明，中国的长柄双花木和日本的双花木产生了明显的遗传分化，双花木属植物在整个分布范围内存在极显著的谱系地理结构。cpDNA单倍型和ITS单倍型构建的系统发育树拓扑结构一致，都支持日本的D. Cercidifolius和中国的D. cercidifolius subsp. longipes为单系类群，由共同的祖先分化出来，双花木属中国和日本群体的分歧时间为22.26Myr，即中新世早期（Lower Miocene），中新世时期出现的较明显气候的波动变化可能加速了两个群体的分化。尽管两个亚种在形态学上的差异有限，但是从分子遗传学的角度有力的支持了两个亚种的分类地位。日本的群体没有检测到扩张历史，而中国境内的群体检测发生了扩张历史，扩张时间约为6.16万年，处在末次间冰期，从冰期进入间冰期，南方避难所的居群向北迁移，形成了现今分布的格局。结合cpDNA和ITS序列的分析结果，推测双花木属在中国的避难所为南岭地区，在日本的避难所为本州岛西南部。. 本研究对于弄清双花木属的种内分化和生物地理格局形成过程有重要意义，并有助于认识金缕梅科植物的系统发育和生物地理历史及中-日植物区系地理的演变过程。