鹅掌楸属群体遗传结构及分子系统地理学研究

鹅掌楸属群体遗传结构及分子系统地理学研究作为被子植物中最原始的类群，木兰科植物对研究有花植物的起源、分布和系统发育有重要价值。

木兰科（Magnoliaceae）鹅掌楸属（Liriodendron）为第三纪孑遗树种，现仅存两个种，即鹅掌楸（L. chinense Sarg.）和北美鹅掌楸（L. tulipifera Linn.）。

鹅掌楸和北美鹅掌楸是典型的东亚-北美间断分布“种对”。

是植物群体遗传学和分子系统发育地理学的理想材料。

本研究以北美鹅掌楸、鹅掌楸31个自然群体及5个子代群体为研究对象，利用SSR分子标记检测鹅掌楸属树种天然群体的遗传结构及子代遗传多样性，分析种内不同群体的遗传分化及亲缘关系，比较鹅掌楸种间遗传多样性及遗传分化，以及鹅掌楸及其子代的遗传多样性和群体间分化。

检测群体、家系及个体三层次的遗传变异分配程度。

同时，通过对特定基因序列（cpDNA的psbA-trnH和trnT-trnL基因片段及nrDNA ITS序列）的克隆测序，推测鹅掌楸属植物第四纪冰期的避难所，以探讨鹅掌楸属群体地理分布形成的原因。

主要研究结果如下：鹅掌楸天然群体遗传结构。

利用14对SSR引物对12个鹅掌楸天然群体的318个个体的遗传多样性进行扩增检测，发现鹅掌楸天然群体有较高的遗传多样性（H_e=0.7385）。

鹅掌楸群体之间存在中等的遗传分化（Fst=0.1956）以及低水平的基因流
（N_m=1.0283）。

此外，在其中6个群体中检测到显著的瓶颈效应。

Mantel检验结果表明，
鹅掌楸天然群体遗传距离和地理距离存在极显著相关性（r=0.5011, P=0.002）。

据此，推测地理隔离和片段化分布导致了鹅掌楸群体结构的形成。

且鉴于云南南部群体与其他群体在表型及基因变异上均存在较大差异，可将其视为鹅掌楸的一个变种。

鹅掌楸、北美鹅掌楸遗传多样性比较。

鹅掌楸属树种有较高的遗传多样性（H_e=0.7793），且无论是天然群体还是种源群体，均发现北美鹅掌楸的遗传多样性高于鹅掌楸。

鹅掌楸23.28%的遗传变异存在群体间，且群体间的基因流N_m仅为0.8239。

而北美鹅掌楸仅有8.75%的遗传变异存在群体间，但群体间基因流明显高于鹅掌楸，达N_m=2.6077。

根据遗传距离，用UMPGA法构建聚类图，13个天然群体分为两个类群：云南的两个群体YN-JP和YN-MLP群体为一类群；其它11个群体为一类群。

进一步证实鹅掌楸云南南部群体与鹅掌楸其他群体的遗传分化较大。

鹅掌楸天然群体与子代群体遗传多样性比较。

比较了5个鹅掌楸天然群体及其自由授粉子代群体的遗传多样性，发现鹅掌楸天然群体遗传多样性
（N_e=4.14, H_e=0.74）高于子代群体
（N_e=3.51, H_e=0.68）。

天然群体中，12.54%的遗传变异存在群体间，而子代群体中，有17.22%变异存在于群体间，天然群体的基因流（N_m=1.7432）大于子代群体的基因流（N_m=1.2017）。

表明鹅掌楸群体间遗传分化有增大的趋势。

鹅掌楸群体、家系、个体三水平分子遗传变异。

利用14个SSR分子标记分析鹅掌楸群体、家系及个体三个层次的遗传变异模式。

结果显示，鹅掌楸遗传变异在各层次上表现不同：群体水平上，JX群体变
异最大(N_ei=0.63)，XY群体最小(N_ei=0.41)；家系水
平上，XY26家系变异最小(N_ei=0.2487)，ST27的N_ei
最大（0.5642）；个体水平上，LP25-27遗传多样性最大(N_ei=0.4456)，XY3-2最小(N_ei=0)。

分子变异分析（AMOVA）结果显示，鹅掌楸在
群体间、群体内家系间以及家系内个体间这3个层次均存在极显著的遗传分化，分别占总变异的16.47%、20.77%、62.76%。

表型数据分析结果显示，鹅掌楸苗高性状在群体、家系、个体三水平的变异模式与分子数据结果相似。

可见，鹅掌楸大多数变异（表型、遗传）都存在于群体内家系间及个体间，而群体间变异较小。

鹅掌楸属树种的分子系统地理学研究。

利用2个叶绿体基因（psbA-trnH、trnT-trnL）及1个核基因（nrDNAITS）的序列变异信息研究了鹅掌楸属2个种的分子系统地理学。

在2个叶绿体基因（psbA-trnH、trnT-trnL）中，鹅掌楸共检测到29个变异位点，多于北美鹅掌楸的19个。

且鹅掌楸的核苷酸多态性（π=0.004135, θ
w=0.005305）也高于北美鹅掌楸（π=0.00204, θw=0.004125）。

鹅掌楸有61.424%遗传变异存在于群体之间，北美鹅掌楸有13.855%的遗传变异存在于群体间。

利用Tajima’s D，Fu and Li’s D*和F*中性检测分析两个基因座的进化模式，结果表明鹅掌楸属树种在历史上均经历过群体扩张。

TCS分析、系统树分析和单倍型地理分布的结果显示，鹅掌楸和北美鹅掌楸在冰期后各自扩张。

推测位于云贵高原及其周边地区的鹅掌楸群体在第四纪冰期不受冰期气候的影响，且位于武夷山南麓的FJ-WYS鹅掌楸群体及位于大娄山北坡的GZ-XS群体所处地区很有可能分别为鹅掌楸东、西部群体的第四纪冰期避难
所。

鹅掌楸属nrDNAITS的长度变化幅度（808～852bp）与被子植物一致。

而在鹅掌楸中ITS的长度变化幅度大于北美鹅掌楸。

鹅掌楸属在ITS区中总共检测到90个变异位点，其中信息位点为53个。

其中北美鹅掌楸中检测到的变异位点（S=62）和信息位点数（I=51）都高于鹅掌楸（S=46，I=12）。

同时，在ITS1、5.8s和ITS2区，北美鹅掌楸中检测到的变异位点和信息位点数也都高于鹅掌楸。

另外，不管在ITS区还是在ITS1、5.8s和ITS2区，北美鹅掌楸的核苷酸多态性都比鹅掌楸高。

对ITS基因座位的进化模式分别进行了Tajima’s D，Fu andLi’s D*和F*中性检测。

结果显示，在鹅掌楸属的水平上，都表现为负值，且Fu and Li’s D*和F*中性检测达到显著负值，也支持鹅掌楸属树种群体扩张模式。

以白玉兰为外类群，利用nrDNAITS序列变异信息对鹅掌楸属各群体进行了系统发育分析。

鹅掌楸、北美鹅掌楸所有个体基本分为北美鹅掌楸和鹅掌楸两个分支。

结果支持鹅掌楸属树种早期分东亚和北美两支，随后在这两个大陆上各自分布扩张，独立进化。