耐旱复苏植物旋蒴苣苔的分子谱系地理学研究

The available molecular phylogeographic studies of plants in China mostly were centered on tree species or accompanied ones that are sensitive to climate changes. Few studies were designed to conduct phylogeographic patterns of the species with arid tolerances. How did these species respond to the past climate changes? Did they stay or go during glacial or inter-/post-glacial stages? In this project, we aimed to examine phylogeographic patterns of the resurrection plant Boea hygrometrica with arid tolerances. After collecting all representative populations of this species and related ones, we first will delineate the species boundary of Boea hygrometrica and exclude those populations with introgressions from other species and estimate its origin time through dating divergence between it and its sister species or lineages. We then will collect population genetic data from at least four plastid DNA fragments and 12 nuclear loci. We will employ ABC or other recently developed statistic phylogeographic approaches to model and test phylogeographic hypotheses. Finally, we will outline and compare the distributional ranges of this species in the current days and those during the Quaternary glacial or interglacial ages. We will examine the congruence between distributional changes inferred from molecular data and niche modeling results. All these results will together illustrate the distributional changes and evolutionary responses of B. hygrometrica in response to the Quaternary climatic oscillations.

中国现有植物分子谱系地理学研究大多集中在对于气候敏感的林木及林下种类，对于耐旱草本植物类群则研究相对较少。此类植物对于气候变迁的响应模式如何：是始终留在原地，还是存在冰期/间冰期的扩张？本项目拟收集耐旱复苏植物旋蒴苣苔和近缘物种的所有代表种群：首先，基于分子条形码对该物种和近缘物种居群水平的界定比较，确定该旋蒴苣苔物种的界限和与其姊妹种或谱系分支的分化时间；其次，对质体DNA片段和若干核基因位点测序获得群体遗传学数据；并利用多个统计谱系地理学软件分析和验证该物种居群遗传进化和谱系地理分布式样的形成历史；最后，利用生态位建模模拟该物种的历史地理分布及居群迁移扩张，检验生态位模拟与分子谱系地理研究结果的一致性，全面阐述第四纪冰期气候变化对耐旱复苏植物旋蒴苣苔对的空间分布变迁、遗传结构和物种分化的影响，为进一步理解耐旱植物类群对第四纪冰期/间冰期气候周期变化的响应模式提供证据。

第四纪冰期和间冰期的震荡而导致的周期性气候波动对北半球动植物分布和生物多样性产生了重大影响。由于冰期温度降低、气候干旱等因素，多数动植物种类的分布区收缩仅保留在避难所区域，随着间冰期到来，这些动植物类群通过居群扩张，重新拓展其分布范围。生物谱系地理学是阐释这一历史现象的有效手段，然而对东亚地区生物类群的研究远远落后于欧洲和北美地区。植物组织具有耐干旱和复活能力是在广泛干旱时期的一种原始生存策略，但是维管植物在早期进化过程中绝大多数已经丢弃了这种与生俱来的能力，当今植物界中仅有种子、一些花粉粒和一小部分"复苏植物"拥有这种耐脱水特性。在复苏植物中， 绝大多数是非维管及孢子植物被子植物种类甚少，裸子植物则至今尚未发现。所以，具有卓越耐旱能力的复苏植物便成为了被子植物中最为独特和宝贵的一个类群。旋蒴苣苔属植物是典型的复苏植物，通过对该类叶绿体、线粒体基因组的研究，结果表明与其他类群相比，该类群均存在明显的基因水平转移现象；结合对该类群三个物种的转录组数据结果表明，大花旋蒴苣苔和地胆旋蒴苣苔相比于旋蒴苣苔而言，是较为祖先的类群，旋蒴苣苔相比于前两者而言更为广泛的野外生境可能与其染色体加倍等原因相关；通过对叶绿体非编码区和 ITS 对来自于 15个 种群 旋蒴苣苔个体序列进行谱系地理学研究结果分析，结果表明旋蒴苣苔总体遗传多样性水平高，但是种群内单倍型多样性、核苷酸多样性值很低，种群内遗传多样性很低。种群间遗传分化显著。显示旋蒴苣苔地区间存在地理隔离，基因流水平低。cpDNA和 ITS均表现出了显著的种群遗传分化，呈现出清晰的谱系结构,cpDNA 片段错配分析支持在我国南方分布区存在显著的冰期后局部扩张。