基于ddRAD-seq技术的悬竹属时空演化格局研究

Ampelocalamus S. L. Chen, T. H. Wen & G. Y. Sheng is a temperate woody bamboo genus (Bambusoideae: Arundinarieae), containing c. 12 species, which exemplifies interestingly the disjunct distribution pattern of “Southwest China-Hainan Island-Taiwan Island”. Mainland-island disjunction is an intriguing biogeographic phenomenon revealed by many other East Asian endemic seed plant groups. The study of spatio-temporal diversification of Ampelocalamus will shade light on the comprehensive understanding of this biogeographic phenomenon. So far, on the one hand, the phylogeny of Ampelocalamus has not been documented well due to limited taxon sampling and few molecular markers involving. On the other hand, the biogeography of this genus has not been uncovered properly either. In this study, we will apply the ddRAD-seq method to investigate the diversification scenarios of Ampelocalamus from spatial and temporal scales based on the population-level sampling covering its present geographic distribution areas. First, orthologues and nuclear genomic SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms) will be called for phylogenomic and biogeographic analyses. Then the phylogeny of Ampelocalamus will be reconstructed and its biogeographic scenarios will be unveiled based on the phylogeny obtained. Given the phylogenetic and biogeographic results, we then further interpret the historical processes and mechanisms underlying the disjunction of “Southwest China-Hainan Island-Taiwan Island” of Ampelocalamus.

悬竹属 (Ampelocalamus) 隶属于竹亚科青篱竹族，包含约12个种，是植物中“中国西南大陆—海南岛—台湾岛”间断分布的典型代表类群。开展悬竹属的时空演化格局研究对进一步理解东亚特有种子植物的“大陆—岛屿”间断分布现象具有重要意义。以往对悬竹属的研究取样有限且所涉及的分子片段相对单一，悬竹属的系统发育关系至今尚未解决，有关该属现代间断分布格局的成因也有待阐释。本研究将扩大取样密度及其地理代表性，并利用ddRAD-seq (双酶切简化基因组测序) 技术从核基因组层面广泛筛选直系同源位点及SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms) 分子标记来开展悬竹属的时空演化格局研究。基于系统发育基因组学分析，澄清悬竹属的系统发育式样。在此基础上开展分子生物地理学分析，揭示悬竹属的时空演化历史，探讨该类群“中国西南大陆—海南岛—台湾岛”间断分布格局的形成机制。

悬竹属(Ampelocalamus)隶属于竹亚科青篱竹族，呈“中国西南大陆-海南岛-台湾岛”间断分布式样。本研究涵盖悬竹属所有物种，在高密度、高地理代表性取样的基础上，利用核基因组及叶绿体基因组数据开展了悬竹属的系统发育与生物地理基因组学研究。基于ddRAD-seq数据的系统发育基因组分析表明不同分析方法(联合矩阵法和溯祖法)所得到的系统发育树拓扑结构基本一致，均很好地澄清了悬竹属的系统发育式样。贵州悬竹应从悬竹属中独立，单系悬竹属包含12个种。其中分布于海南岛和云南南部的射毛悬竹最先分化；特产台湾岛的内门竹与冕宁悬竹、碟环竹聚为一支，其余中国西南大陆(云贵川渝)分布物种聚为另一支。.进一步BEAST分子钟分析发现单系悬竹属起源于12.03 Ma，随后在10.49 Ma开始分化，在大约9百万年内形成现存的12个物种。内门竹起源于6.08 Ma，西南大陆分支在7.19 Ma开始分化，射毛悬竹的云南与海南居群在3.66 Ma分离。在此基础上，开展RASP祖先分布区重建，结果表明悬竹属的祖先分布区最可能为云南南部。悬竹属内发生了两次大陆-岛屿扩散事件：一次从云南南部扩散至台湾岛；一次从云南南部扩散至海南岛。另外，发生了两次独立的由云南南部至云贵川渝地区的扩散事件。因为海南岛、台湾岛均为大陆性岛屿，直至第四纪海平面上升才与中国大陆分离，两座岛屿的悬竹属物种可能是扩散与隔离综合作用的结果。悬竹属分布于石灰岩山地，该类生境的不连续或许最终导致了该属的间断分布。.此外，基于叶绿体比较基因组学研究，我们发现在叶绿体基因组层面，悬竹属所在的青篱竹族(温带竹子)比簕竹族和莪莉竹族(热带竹子)相对进化速率更慢，可能与其更长的开花周期有关。并且发现悬竹属的系统位置在核基因组与叶绿体基因组系统树上不一致，暗示木本竹子(青篱竹族和簕竹族)异源多倍化的演化历史可能影响了族内属级层面的物种树估算。