基于叶绿体基因和微卫星的中国西南地区特有种泡核桃谱系地理学和群体结构研究

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中国西南地区具有活跃的构造,形成了一个动态的、严重侵蚀的景观,从而影响动、植物居群的遗传结构。泡核桃是中国特有的落叶经济树种,已经长期栽培,营养价值高。另外泡核桃是乔木,枝繁叶茂,具有净化空气的能力,常常用于绿化和观赏。本研究使用5个叶绿体DNA序列片段和22个核微卫星位点标记对中国西南地区的36个野生泡核桃居群共765个个体进行了基因测序,推断泡核桃的遗传多样性、遗传结构、遗传分化和当代/历史基因流水平。本次研究的结果表和结论如下:1、泡核桃的遗传多样性。基于cpDNA标记,泡核桃确实具有相对较低的遗传多样性(Hd=0.2026;π=0.00080)。基于EST-SSR标记,36个居群的期望杂合度(HE)低于胡桃属的其他种(黑核桃:HE=0.807;胡桃楸:HE=0.77)。导致这个现象的原因可能是:泡核桃是地方性物种,具有相对较小的种群规模,由于基因漂变、奠基者效应和其他随机原因,通常会比那些更常见和分布更广的物种具有较低的遗传多样性。2、泡核桃的遗传分化。在母系遗传cpDNA标记中居群遗传分化水平较低(GST=0.194)。造成这一结果的最可能的原因是泡核桃近期大量居群碎片化且基因流反复。EST-SSR标记数据的FST值相对于其他风媒传粉的温带乔木来说较高,这是中国西南地区地形复杂,气候变化多端,泡核桃在整个第四纪均保持空间结构的碎片化,导致FST的升高,AMOVA结果表明,在居群内部遗传分化较高,这可能是受到泡核桃的异交交配系统的影响。3、泡核桃的遗传结构和基因流。基于EST-SSR数据分析,泡核桃的遗传结构表明物种分布范围的北部和南部合体聚集成两组。研究发现在STRUCTURE结果K=2时,从亚群B(Cluster B)流向亚群A(Cluster A)居群间具有不平衡的历史基因流和当代基因流。4、泡核桃的进化历史和动态范围。叶绿体DNA(cpDNA)和EST-SSR标记确定的分子钟都是在上新世-更新世期间。我们使用贝叶斯和简约性的方法进行了系统发育学分析,泡核桃被分为明显的两大支,A支和B支分化的时间是2.65 Ma。ABC模拟分析表明泡核桃内部分化时间是1.34 Ma。中国西南地区云贵高原的隆生可能发生在晚中新世-上新世,由于全球变冷,亚洲季风加剧,造成的生境破碎化。泡核桃目前的地理分布揭示了云贵高原的三个分散的避难所,即:横断山区,无量山区,还有一个避难所分布在物种分布区的东北部。物种分布区模拟表明泡核桃从末次间冰期到末次盛冰期,经历过分布范围的收缩,泡核桃撤退到约25°N的南部地区,同时贝叶斯天际线结果表明有效居群大小在0.25 Ma经历了收缩,然后又经历轻微扩张,这个现象最主要的原因是末次盛冰期越来越寒冷和干旱,之后气候又会变暖。泡核桃居群间的遗传多样性较低、遗传分化较高,具有不对称的基因流。中新世末期的地质和气候因素触发了泡核桃的遗传分化、演化起源和范围变化。随着末次盛冰期气候越来越寒冷干旱,避难所的泡核桃居群片段化,生境破碎化导致了居群连通性降低,并通过遗传漂变增加了分离居群的遗传分化程度。
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