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东亚特有珍稀兰科植物扇脉杓兰的遗传多样性与谱系地理学研究

来源：花匠小妙招时间：2024-11-20 09:21

扇脉杓兰(Cypripedium japonicum Thunb.)隶属于兰科(Orchidaceae)杓兰亚科(Subfam. Cypripedium LindL)杓兰属(Cypripedium L.)扇脉组(Sect. Flabellinervia (Pfitz) Hennessyex Cribb),是东亚地区特有的珍稀兰科植物,间断分布于中国,韩国与日本列岛,具有极高的观赏价值和药用价值。野外调查发现,扇脉杓兰野生居群数目和居群内个体数量都很少,加上人为对兰花资源与环境的破坏,导致本种面临濒危,急需保护。为了提出科学的保护措施,本研究通过ISSR分子标记法,筛选出10条引物,对东亚地区17个扇脉杓兰野生居群共285个样本进行了遗传多样性研究；同时,为了解其地理历史、起源、冰期避难所、以及迁移路线,本研究利用cpDNA分子标记法,筛选出accD-psaI、trnQ-rps16、 trnK-rps16叶绿体非编码区片段,对东亚地区17个扇脉杓兰野生居群共147个样本进行了谱系地理学研究。(1) ISSR标记法研究遗传多样性结果显示：扇脉杓兰在物种水平上PPB=57.6%,H.=0.1039,SI=0.1687；在居群水平上PPB=9.8%,H=0.0266,SI=0.0420,与其它东亚濒危植物黄山梅Kirengeshoma palmate、黄精叶钩吻Croomia japonica和C. heterosepala相比,遗传多样性较低；中国陕西佛坪居群FP(PPB=24.36%, H=0.0616, SI=0.0982),湖南桑植居群SZ(PPB=20.51%, H=0.0585, SI=0.0923)和重庆金佛山居群JF(PPB=15.38%, H=0.0497, SI=0.0765)都表现出了相对较高的遗传多样性。同时,检测出扇脉杓兰居群间基因流较小,并出现了相当程度的遗传分化。对ISSR标记获得的遗传距离进行UPGMA聚类,结果显示东亚地区扇脉杓兰野生居群分为两个大组,中国与韩国居群聚为一组,日本居群单独为一组,表现出一定的遗传差异。ISSR分子标记检测到扇脉杓兰遗传多样性较低,需要进行就地保护,优先保护FP、SZ和JF居群。虽然日本居群表现出遗传分化,但是考虑到扇脉杓兰相对较低的遗传多样性,目前就地保护优于迁地保护。(2) cpDNA标记法研究谱系地理结果显示：扇脉杓兰在物种水平上单倍型多态性hr为0.861,核苷酸多态性为πT为0.0023,居群水平上单倍型多态性hs为0-0.733,平均值为0.334,核苷酸多态性πS为0-0.00058,平均值为0.00022。该结果与用相同检测法检测出的东亚濒危植物蛛网萼Platycrater arguta、舟山新木姜子Neolitsea sericea、黄山梅Kirengeshoma palmate相比,遗传多样性处于中等偏低水平。同时,也检测出扇脉杓兰居群间具较小的基因流,以及居群间相当程度的遗传分化。利用cpDNA分子标记获得的叶绿体单倍型所构建的TCS网络图和Beast分化时间树,均支持遗传上将扇脉杓兰分为日本,中-韩两个大组。计算出日本和中-韩居群单倍型的分化时间约为1.26Mya,此时中国东部正处于大姑-鄱阳间冰期,推测此时日本居群与中国居群因海峡分离,而居群间明显分化,表现出遗传上的差异。结合前人关于杓兰亚科生物地理学的研究结果,推测杓兰亚科的祖先曾广泛分布于北半球高纬度地区,第三纪渐新世时由于气候变冷向南迁移,扇脉杓兰在迁移过程中成种(30-20Mya)。由于气温继续下降,扇脉杓兰南迁,先到达日本北部(0.4248Mya),此时日本已与中国大陆分开；然后到达韩国与中国内陆适宜的地方进行繁衍(0.3249Mya)。伴随第三纪末和第四纪初一系列的地质运动以及气候变化,扇脉杓兰在东亚形成一定的分布格局。冰期时,扇脉杓兰躲避于北半球高纬度地区和日本的避难所得以保留,中国内地部分省区虽与日本、韩国同纬度,但这些区域可能由于气候较干燥,缺少高山,不适应其生存,而韩国与日本列岛特殊的岛屿环境使得扇脉杓兰能够繁衍。冰期后,扇脉杓兰群体未经历明显的群体扩张,从而形成了该种目前的分布状况：从中国长江流域省份分布至韩国和日本列岛。