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整合谱系地理学与景观遗传学揭示短花针茅遗传变异及空间分布格局形成机制

花匠小妙招
2024-11-18 02:50

整合谱系地理学与景观遗传学揭示短花针茅遗传变异及空间分布格局形成机制

【摘要】： 遗传多样性是生物多样性的基础,是物种长期生存、进化和适应的结果,对生物多样性保护具有重要意义。当代遗传多样性和遗传结构是历史和现代微进化过程共同作用的结果。短花针茅(Stipa breviflora),隶属于禾本科(Poaceae)针茅族(Stipeae Dum)针茅属(Stipa L),是一种暖温型多年生旱生丛生禾草,是我国荒漠草原的主要建群种。开展短花针茅的谱系地理学与景观遗传学研究有助于推断地史环境演变对短花针茅谱系分化的影响,阐明区域尺度下当代短花针茅群体遗传变异空间分布特征及其分化机制,揭示人类活动对短花针茅遗传多样性与遗传结构的影响。本研究利用2个叶绿体DNA(cpDNA)片段和14对EST-SSR引物分析了区域尺度下27个短花针茅群体的谱系地理结构、遗传多样性和遗传结构;利用12对EST-SSR引物分析了局地尺度下52个短花针茅群体的遗传多样性和遗传分化。通过整合谱系地理学和景观遗传学的分析方法,揭示了短花针茅遗传变异及其空间分布格局形成的机制。主要结果如下:(1)基于短花针茅转录组数据,首次开发了21对多态性EST-SSR引物,且21对引物在其他6个短花针茅的近缘种中具有很好的通用性。(2)27个短花针茅群体中共检测到13种单倍型,其中H1是广布型单倍型。在物种水平上短花针茅的单倍型多态性HT=0.494,核苷酸多态性π×10-3=1.02。遗传变异的空间分布格局整体呈现由东向西逐渐降低的趋势。分化时间和祖先分布区重建表明,短花针茅于晚中新世(7.66Ma)起源于青藏高原东北部和贺兰山,然后从青藏高原东北部经祁连山南麓扩散到新疆和从青藏高原东北部、贺兰山扩散到蒙古高原、青藏高原西南部和河西走廊。中性检验和错配分布分析表明,短花针茅群体符合空间扩张模型,扩张时间为1.5Ma左右。因此推断青藏高原的不断隆升、亚洲季风气候的加强促进了短花针茅的扩张以及各单倍型的演化。(3)区域尺度下,短花针茅的遗传多样性属于中等偏低水平。其遗传多样性的空间分布格局呈分布中心向分布边缘地区逐渐递减的趋势,符合“中心—边缘假说”。STRUTURE表明短花针茅群体可以分为东部,中部和西部亚群,东部和中部亚群的基因交流频繁。sPCA可将27个群体分为东、西两组,东部组包括STRUTURE结果里的东部亚群和中部亚群,西部组包括西部亚群。地理隔离是造成遗传分化的主要原因,而昆仑山,天山和塔克拉玛干沙漠对短花针茅的基因流形成了地理障碍。分布在西部的亚群通过调节部分抗逆基因的表达量和代谢通路来提高其适应性。相较与东部亚群,西部亚群更能够适应干旱、低氧和高紫外线的环境压力。(4)局地尺度下,人类活动能够促进破碎化生境中短花针茅斑块的功能连通性,提高群体遗传多样性。Mantel检验表明气候差异是短花针茅遗传分化的主要原因。dbRDA进一步说明其中主要的影响因素是平均日较差温度(bio_2)和最湿季平均温度(bio_8)。阻力距离(IBR)和地理距离(IBD)对短花针茅的微进化过程无显著影响。综上所述,短花针茅在种水平的遗传多样性和遗传分化较低,没有明显的谱系地理结构。晚中新世/上新世青藏高原的隆升,亚洲季风气候的形成和黄土沉积促进了其谱系分化。短花针茅遗传多样性由分布中心向分布边缘地区逐渐递减,其空间分布格局符合“中心—边缘假说”。在区域尺度下,当代群体的遗传分化主要是由地理隔离造成的,同时伴随有对气候的适应性进化。在局地尺度下,当代群体的遗传分化主要是由于环境隔离造成的。人类活动的干扰有助短花针茅遗传多样性的提高。本研究揭示了不同时空尺度下短花针茅遗传变异及其空间分布格局形成的机制,为谱系地理学与景观遗传学的整合研究提供了案例,并对未来气候变化和人类活动共同作用下的针茅草原的生物多样性保护具有重要参考价值。

【学位授予单位】：内蒙古大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019

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