植物分子亲缘地理学研究以樱亚属植物为例

植物分子亲缘地理学研究以樱亚属植物为例1．植物分子亲缘地理学的概况植物亲缘地理学（Phylogeography）是A vise等提出的有关历史性植物地理学观念，是研究物种及种内居群形成现有分布格局的历史原因和演化过程的一门学科，着重于对过往历史重建、探讨物种演化关系与地质事件之间的相关性并推测物种传播路径等问题（A vise，1987）。

作为植物地理学的一个分支，亲缘地理学已不局限于解释现有种群的分布状况，而是进一步探究其分布的起因，阐述其进化历程，分析区域类群在时间上和空间上的发展变化，从而重建生物区系的历史。

1．1植物分子亲缘地理学的产生传统植物地理学主要研究生物随时间变化形成的空间分布式样，并解释这种分布式样形成的原因，可分为历史植物地理学和生态植物地理学两部分内容。

历史植物地理学处理大范围尺度、跨越百万年的进化过程，生态植物地理学处理短时间内、小空间范围的生态过程，两者之间的时间界限是更新世冰期及其产生的效应。

植物地理学强调高分类阶元的地理分布模式，相对地，亲缘地理学的研究则偏重于近缘物种或种内居群间的研究（王静，2001）。

在不同时代的地层中遗留下来的植物化石和孢粉，是我们对第四纪不同时期植被迁移模式进行研究的有力证据（邓德山，2002）。

然而，能够说明问题的孢粉和化石资料较少，不能对物种及整个植物区系的植物地理历史做出正确、完整的解释，因此需要用其它类型的证据和方法去更准确、客观地研究生物冰期避难所及其在冰期后的迁居路线。

随着植物亲缘地理学研究方法上的拓展和分子生物学实验技术的渗透，出现了一门新的交叉学科一植物分子亲缘地理学。

植物分子亲缘地理学主要采用分子生物学技术，在分子水平上探讨种内的系统地理格局的形成机制，它融入了分子遗传学、种群遗传学、系统发育学、统计学、行为学、古地理学和历史生物地理学等学科的精髓，将种内水平上的微进化和种及种上水平的大进化有机结合起来（Brown，1974）。

植物分子亲缘地理学研究的核心是探讨居群分化的历史，研究导致居群现有分布格局形成的历史原因，系统发育关系以及现有分布特征，同时结合种群的地理分布状况发现、验证与其相关的地质历史事件、追溯和解释种群的进化历程（A vise，1987）1．2植物分子亲缘地理学研究进展DNA分子标记是基于DNA分子多态性而建立起来的标记形式。

分子标记方法可有效地确定种的地理起源、分类特征及分布历史，有助于了解种的遗传变异来源以及环境对遗传变异的影响，了解种群的起源和发展。

DNA分子标记在分子亲缘地理学研究中被广泛使用。

常用的DNA标记形式有限制性片段长度多态性标记、随机扩增多态性DNA标记、扩增的限制性片段长度多态性标记、DNA简单重复序列、可变数串连重复序列以及单核核苷酸多态性等。

植物分子亲缘地理学领域的研究主要是依赖于较保守的具单亲遗传、低突变率和无重组的细胞质基因组进行的。

植物的叶绿体DNA（cpDNA）都是以共价、闭合、环状的双链形式存在的，大小一般在120-160kb之间。

CpDNA在遗传上为单亲遗传，裸子植物为父系遗传，大多数被子植物为母系遗传（有些为双亲遗传）；在有性繁殖时不发生重组和交换等特点，使第四纪冰期对生物遗传结构的影响得以保留下来，因此特别适合于冰期避难所和冰期后迁移路线的研究。

近年来随着cpDNA通用引物的发展，尤其是植物基因组非编码区引物的发展（Schaal et a1．，1998），使得基于cpDNA对于植物亲缘地理学的研究在近年来有了较大的发展。

cpDNA对于来自低或无重组的随机漂变的效应较敏感，其地理变异不受选择因素而改变，且比古植物学研究能反映出更多的信息，如种群冰期的起源等（段昌群，2006）。

国外有关植物分子亲缘地理学的研究报道比较多。

King和Ferris调查了遍布欧洲的101个欧洲桤木种群，用9对叶绿体DNA通用引物发现13个叶绿体单倍体类型，他们推测欧洲北部的大部分欧洲桤木种群是从喀尔巴阡山脉这个冰期避难所迁移形成的（King．1998）。

Abbott等对北极地区的紫虎耳草90个居群548个个体的叶绿体DNA进行分析，结果得到14种叶绿体DNA单倍型，单倍型的分布模式说明紫虎耳草的冰期避难所位于白令地区西部，冰期结束后从避难所向东、西两个方向重新扩散，直至分布于整个北极地（Abbott et a1．，2000）。

我国关于植物分子亲缘地理学的研究在近几年才有所涉及。

苏应娟等以海南和广东的9个黑桫椤种群为材料，通过分析叶绿体DNA非编码区序列数据，共鉴定出15个单倍型，结果表明黑桫椤的系统发育地理式样具星状特征，提示种群在历史上曾经发生过扩张，扩张后的种群还未能获得足够时间去建立更加复杂的结构（苏应娟等，2004）。

张茜等通过对祁连圆柏所有居群叶绿体DNA序列变异研究的结果表明，该树种在冰期可能在青藏高原边缘存在多个避难所，瓶颈效应造成了不同单倍型在边缘居群中高频率的随机固定，而高原台面上经历了一次共同的回迁和随后的奠基者效应，从而使现代间断分布的居群拥有共同的单倍型（张茜等，2005）。

颜海飞等利用叶绿体DNA的序列对鄂报春的种内亲缘地理学变异进行了分析，获得的20个单倍型有一定的地理分布结构，并由此推测东部分支中现存的单倍型由冰期时气候变冷导致鄂报春快速迁移而形成，云南、四川分支中的单倍型可能是在各自的避难所中得以保存（颜海飞等，2005）。

2 樱亚属植物研究概况樱亚属(Subgenus cerasus)隶属蔷薇科(Rosaceae)李属(Prunus)，目前全世界樱亚属植物有数百种，分布于北半球温和地带，亚洲、欧洲至北美洲均有记录。

主要种类分布在我国西部和西南部以及日本和朝鲜（俞德浚，1986）。

我国现知樱亚属植物以西南各山区种类最为丰富，该属植物多为果木或观赏花木，是一类珍贵的具有广阔应用前景的资源植物（许克福等，2004）。

目前对樱桃的研究主要集中在分类、新种发现、资源研究、品种鉴定上，也有少数系统发育和杂交选育方面的研究报道。

2．1樱亚属植物分类学研究樱亚属植物种类多，分布地广，形态变异幅度大，给分类带来较大困难。

有的学者支持将核果类果树合并为李属，属下再划分为不同的亚属或组；另一部分学者则支持小属分类，把核果类果树分为不同的属。

樱亚属植物不同种之间腺体的着生位置、形状以及大小相差悬殊，而同种植物的腺体则具有相对稳定性，可在分类运用中起较大的参考作用（王贤荣，1997）；有的学者还认为植物的种子是指物体保守性较强的器官，其形态性状和解剖结构一般不受外界环境的影响而发生形态结构的改变，能保持一定的稳定性，因此种皮的外部形态、构造、种皮厚度、各层次的形态和厚度以及胚乳组织细胞多少和厚度在分类学上有一定意义（初庆刚等，1994）。

2．2樱亚属植物分子生物学研究樱亚属植物在种间和种内存在不亲和性，其具体的识别机理及反应过程是当前国际植物分子生物学研究的热点之一（张一婧，2007）。

在樱亚属的亲缘关系研究中，存在很大争议，传统的分类基本是根据形态特征来划分，随着分子生物学技术的出现，使人们从DNA水平对核果类果树亲缘关系的研究成为可能。

程中平利用RAPD技术研究核果类植物的系统发育，结果支持将其分为不同的属，即桃属、李属、樱属和杏属，（程中平，2003）。

陈晓流等利用14个RAPD引物对14个甜樱桃品种和中国樱桃的1个品种进行分析，认为中国樱桃和甜樱桃的遗传距离较远（陈晓流等，2004）。

蔡宇良等用46个RAPD引物对15个樱桃品种的基因组分析，认为甜樱桃品种之间存在着较高的遗传一致度，遗传距离相对较低（蔡宇良等，2006）。

国外对樱亚属植物研究较多，Mohanty、Panda等人就曾用叶绿体DNA对甜樱桃、酸樱桃的栽培种和野生居群作过详尽分析（Mohanty et a1．，2001；Panda et a1．，2003。

对樱亚属系统发育和系统地理学及亲缘地理学方面的研究，国内外尚不多见。

本文简介了樱亚属植物分子亲缘地理学研究，以便从不同角度揭示樱亚属植物现今分布格局的历史成因，为探讨樱亚属植物的起源、冰期后的迁移路线和扩散方式提供理论依据；同时根据樱亚属植物的居群遗传学特性，为该亚属植物保护策略的制定提供理论依据。

3 樱亚属分子亲缘地理学研究3．1物种和居群水平的遗传分化樱亚属各居群间的遗传分化系数G ST达到0．9852，并且居群问的基因流也十分有限，表明居群间具有较大程度的遗传分化。

各居群内的遗传变异仅为1.97％，而种内居群间以及种间的变异分别为12.03％和86％。

各居群间地理距离和遗传距离的Mantel检验结果表明居群间的地理距离和遗传距离之间相关性不显(李苗苗，2009)。

3．2樱亚属植物的遗传结构居群的遗传结构可以反映该物种的进化历史、突变、重组、遗传漂变、繁育系统、基因流以及自然选择等因素之间的相互作用（Slatkin，1987；Schaal et a1．，1998）。

樱亚属植物种间以及自然居群间存在较高的遗传变异，种内居群间遗传变异较低，并且反映出居群间的基因流也相对较低。

种间高水平的遗传分化表明樱亚属各种间已产生了明显的分化，推测第四纪冰期可能对该亚属物种的形成和扩散起了重要作用。

影响居群间遗传结构的因素很多，如繁育系统、分布范围、花粉和种子传播机制以及遗传漂变等。

樱亚属遗传结构的形成可能有以下几方面的原因：1)叶绿体基因是单亲遗传，容易受遗传漂变，瓶颈效应以及奠基者效应等因素的影响，因此由此得出的数据可能会高于核基因所得到的数据（Cruzan，2000)；2）樱亚属植物自然居群存在高度的斑块状分布并且个体在群落中零星分布，数量较少。

居群遗传学的理论认为，当生境片段化以及居群内个体数较少时，由遗传漂变引起的居群间的遗传分化会增强（Templeton et a1．，1990），尽管樱亚属分布比较广泛，但由于地理隔离以及人为活动使其生境片段化和异质化以致于居群内个体数急剧减少。

异质化的生境可能进而导致生活在不同生境的居群在进化过程中固定了不同的等位基因以适应特殊的环境；3)植物居群间的基因流是借助于花粉、种子、孢子、植株个体以及其他携带遗传物质的物体为媒介进行的（李海生，2004）。

樱亚属植物主要靠飞行能力弱的昆虫传粉，而居群间的地理距离普遍较大，并且后者常常导致不同居群的开花物候期也不同，这就阻碍了居群间的基因交流。

另外，樱亚属植物种子较大，主要依靠动物传播，因此动物的活动范围制约其种子流；4)有研究表明居群遗传距离与地理距离相关性不显著时，遗传漂变在居群遗传结构中起重要作用。

Mantel检验结果表明遗传漂变在樱亚属植物的遗传结构中起着重要作用。

3．3樱亚属植物的分子亲缘地理学我国现在的植物地理分布格局在更新世逐渐形成，此时第四纪冰期发展到盛期，气候波动对植物地理分布起到了重要作用（Comes，1998）。