走出青藏高原- - 北半球高山极地广布种山蓼的谱系地理学研究

Most alpine-artic plants were hypothesized to have originated from the Qinghai-Tibetan Plateau and adjacent alpine regions. However, this hypothesis was rarely examined and tested for those plants occurring in these regions by the current population genetic data and the following modeling tests. In this project, we select Oxyria digyna, a widely distributed species in the alpine and artic regions of the Northern Hemisphere as a model to conduct such studies. Based on the available samples across its distribution over the Northern Hemisphere, we will collect population genetic data and genetic variations from chloroplast DNA and multiple nuclear loci. Then we will use multiple approaches, including coalescent analyses and modeling tests, to reconstruct lineage differentiation and population dynamics of each local populations, and finally to identify the origin of this species, glacial refugia and recolonization routes. Our results will provide a case study for "out-of-Qinghai-Tibetan Plateau" hypotheses for some temperate plants.

多数欧美高山与北极分布的植物可能起源于青藏高原及其毗邻的高山地区。但这些植物的实际起源很少得到现有群体遗传证据的验证和计算模拟的检验。本项目拟选择在北半球广泛分布的高山极地植物山蓼为对象，通过已获得的全球范围的样品，利用不同遗传背景的叶绿体DNA和多套核基因座位序列研究该物种在北半球各地的遗传变异；并通过溯祖分析和遗传结构模拟，重建各地居群谱系分化以及居群动态历史，鉴定山蓼物种的起源、冰期避难所及冰期结束后的回迁路线。本研究旨在为部分温带植物"走出青藏高原"的假设提供分子证据和模拟检验，从而为确认青藏高原是北半球一些温带植物起源中心的关键地位。

生物地理学研究的核心目标是探究各种生物的地理起源，北半球植物的起源一直是生物地理学家关注的焦点。有一种假设认为多数现存的北极植物物种起源于北美和欧亚大陆的高山地区， 当第三纪晚期全球气温下降时，这些植物向北迁移并最终形成环绕北极的分布模式。围绕这一假说开展了一系列科研工作，但尚无一例能完整刻画植物物种起源、扩散并最终形成环北极分布的时间框架。.本研究选择在北半球广泛分布的高山极地植物山蓼为对象，通过已获得的全球范围的样品，利用不同遗传背景的叶绿体DNA和多套核基因座位序列研究该物种在各地区的遗传变异；并通过溯祖分析和遗传结构模拟，重建各地种群的谱系分化以及种群动态历史，鉴定山蓼物种的起源、冰期避难所及冰期结束后的回迁路线。研究结果证实，山蓼起源于中国西南部的青藏高原地区，并在约1100万年前迁移扩散到俄罗斯地区，随后由俄罗斯向东迁移至北美地区（在约400万年前），向西抵达欧洲地区（在约196万年前），并最终经由大西洋东西两岸扩散至格陵兰岛，完成了完整的环绕北极的分布模式。当山蓼分别到达北美和欧洲大陆之后，其种群规模发生一次扩张随后保持稳定并持续达数百万年；然而，格陵兰岛的山蓼种群却在扩张之后发生收缩，随后在更新世再度扩张。山蓼种群扩张事件可能与约106-108万年前发生的“超级间期”气温显著回暖有关。 此外，第四纪时期，北美和欧洲的气候震荡使这些地区极地植物的地理分布发生了显著的改变；在冰期时，有些物种会向冰盖以南方向拓展其分布范围，在北美地区西北部，也就是冰盖以北的无冰区，也有许多物种存活下来；而冰期时格陵兰岛地区绝大多数地区都被冰盖覆盖，避难所较少，因而导致山蓼种群规模锐减。