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题名: 兴都库什-喜马拉雅地区红豆杉属植物物种界定与保护遗传学研究
作者: RAM CHANDRA POUDEL
学位类别: 博士
答辩日期: 2012-05
授予单位: 中国科学院研究生院
导师: 李德铢 ; 高连明 ; Sailesh Ranjitkar ; Sailesh Ranjitkar
关键词: 保护遗传学,兴都库什-喜马拉雅地区、谱系地理学,物种界定,红豆杉属
学位专业: 植物学
中文摘要: 红豆杉属(Taxus L.)的物种是第三纪孑遗植物,也是兴都库什-喜马拉雅地区[Hindu Kush-Himalaya(HKH)]经济价值最高和受威胁最大的植物之一。喜马拉雅和青藏高原的隆升导致局域气候变化及其对物种演化历史的影响已受到广泛关注。然而,对气候变化和人类活动对该地区植物演化动力和脆弱性的影响却知之甚少。深入理解第四纪冰期对现存物种分布格局的影响,将有助于我们预测濒危物种红豆杉的可能响应策略和命运。为了对该地区红豆杉属植物进行有效保护和管理,迫切需要对该属植物开展分类学、谱系地理学和居群遗传学的研究。本研究在居群水平上利用形态学、叶绿体DNA(cpDNA)、核糖体DNA(nrDNA)、微卫星标记和气候数据对这一地区红豆杉属植物开展了相关研究,主要研究结果和结论如下:1. 兴都库什-喜马拉雅地区红豆杉属植物的分类和物种分布区的准确界定:本研究澄清了兴都库什-喜马拉雅地区(HKH)分类地位不明确,形态鉴定困难的红豆杉属植物的物种数目及其在尼泊尔的准确分布区界线。在大规模居群采样的基础上,利用形态学、分子生物学和气候数据对红豆杉属植物开展了综合的分类学研究。通过对兴都库什-喜马拉雅地区及邻近地区790份样品(包括47份馆藏标本)的27个形态性状的主成分分析(PCA),发现该地区分布有密叶红豆杉T. contorta,喜马拉雅红豆杉T. wallichiana和南方红豆杉T. mairei三个物种。基于33条ITS序列和36条trnL-F序列的系统发育分析,上述三种红豆杉分别构成单系分支并得到强烈支持。对三种红豆杉生态位的一致性和背景数量化检测表明,三个物种具有不同的气候偏好:如密叶红豆杉更喜欢干燥寒冷的环境,喜马拉雅红豆杉则为湿润寒冷,而南方红豆杉的生境为湿润温暖。此外,基于11个生物气候因子变量的分布区模拟分析,其结果与三个物种的地理分布区相一致,即密叶红豆杉分布于西喜马拉雅地区(阿富汗东部到西藏西南部的吉隆),喜马拉雅红豆杉则分布于东喜马拉雅地区(从尼泊尔中部至云南西北部),而南方红豆杉分布于中喜马拉雅及印度-缅甸地区。本研究的结果表明红豆杉属植物在尼泊尔中部平行分布,但其分布区并不重叠,喜马拉雅红豆杉的分布范围比通常认为的要狭窄。南方红豆杉分布于这一地区为首次发现,该种曾被认为只分布于中国南部地区。同时描述了鉴别分布于该地区的三种红豆杉的分类检索表。2. 基于cpDNA和nrDNA数据的谱系地理学研究:利用采自兴都库什-喜马拉雅地区43个红豆杉居群的叶绿体trnL-F 和核基因ITS片段的序列开展该地区红豆杉属植物的谱系地理学研究。从776个个体的trnL-F片段中得到22个cpDNA单倍型,而在235个个体的ITS序列中发现了8个nrDNA单倍型。除了2个杂交个体外,物种间无叶绿体单倍型/核单倍型共享。三个物种的存在得到了cpDNA和nrDNA数据的支持。基于trnL-F 片段进化速率的估算,密叶红豆杉大约在5.9 - 9.3百万年前 (mya)与喜马拉雅红豆杉和南方红豆杉分开,而后两者的分化时间大约在3.9 - 5.9 mya。中新世-上新世喜马拉雅和青藏高原隆升及随后的气候和生态环境变化对这一地区红豆杉属植物的分化产生了重要影响。在物种水平上,密叶红豆杉(GST = 0.085, NST = 0.056, p = 0.056)和喜马拉雅红豆杉(GST = 0.260, NST = 0.283, p = 0.283)单倍型的分布没有显著的谱系地理学结构。和同属的其他物种相比,密叶红豆杉和喜马拉雅红豆杉的遗传多样性较低。尽管在这两个物种具有显著的居群结构,但其遗传分化系数低于同属其他物种。遗传多样性高的地区,如巴基斯坦北部的兴都库什地区,尼泊尔中部以北地区以及中国西藏南部的吉隆一带可能是密叶红豆杉的第四纪冰期避难所。东喜马拉雅的东部(西藏东南部)地区和尼泊尔东部地区也呈现出较高的遗传多样性,他们可能是喜马拉雅红豆杉的冰期避难所。在兴都库什-喜马拉雅地区,密叶红豆杉和喜马拉雅红豆杉经历了不同的扩张历史。密叶红豆杉可能在更新世晚期(130 kya)发生过居群数量的扩张,而在全新世(6 kya)发生了一次空间扩张。基于失配分布分析和中性检测,密叶红豆杉在末次冰盛期(LGM)可能发生了严重的瓶颈效应,少数居群在避难所中存活下来;在末次冰盛期后,从避难所经历快速的居群扩张(奠基者效应),迅速回迁到现代的分布区。然而在东喜马拉雅地区,喜马拉雅红豆杉可能在95.8 kya 前先发生居群数量的扩张,接着在85.4 kya 经历空间扩张。根据单倍型结构和第四纪冰期规模的研究结果,表明喜马拉雅红豆杉可能受末次冰盛期的影响较小,很多居群在不同的避难所存活,并在冰期和间冰期的反复作用下经历了多次扩张-收缩过程,可能频繁发生不同避难所居群间的基因交流。遗传多样性沿西藏东南部至尼泊尔中部逐渐递减,暗示了喜马拉雅红豆杉很可能从东喜马拉雅向西沿喜马拉雅山向尼泊尔中部地区迁移。3. 基于微卫星标记的居群遗传学分析:利用10对微卫星标记对兴都库什-喜马拉雅地区的42个居群共761个个体进行了居群遗传学研究。遗传多样性分析表明,三个物种分别形成明显不同的遗传实体,在物种水平上具有显著遗的传分化(FST = 0.514 P < 0.01)。在尼泊尔中部发现三个种间具有强烈的地理和生态障碍。该地区的红豆杉属植物在物种水平具有中等的遗传多样性水平,密叶红豆杉具有较高的遗传多样性(NE = 2.510, HO = 0.221, HS = 0.480, HT = 0.588),喜马拉雅红豆杉的遗传多样性次之(NE = 1.747, HO = 0.290, HS = 0.402, HT = 0.442) ,而南方红豆杉的最低(NE = 1.516, HO = 0.271, HS = 0.260, HT = 292)。红豆杉属的三个物种在居群间均具有明显的居群结构。密叶红豆杉的遗传分化最高(FST = 0.196, GST = 0.183, G'ST = 0.405),其次为南方红豆杉(FST = 0.152, GST = 0.107),而喜马拉雅红豆杉的遗传分化最低(FST = 0.113, GST = 0.089, G'ST = 0.171)。与同属其它物种相比,这种较低的遗传分化可能是由于景观效应,生境片段化和遗传漂变等所导致。遗传距离和地理距离在密叶红豆杉中无相关性,而在喜马拉雅红豆杉中却显著相关。居群遗传多样性沿东喜马拉雅到尼泊尔中部逐渐递减,表明喜马拉雅红豆杉很可能从东向西迁移到达尼泊尔中部地区。微卫星分析的结果和cpDNA的结果高度一致,密叶红豆杉, 喜马拉雅红豆杉和南方红豆杉之间遗传多样性的差异可能由于它们在兴都库什-喜马拉雅地区分别经历了不同的第四纪冰期作用和不同程度的人类活动影响所致。4. 兴都库什-喜马拉雅地区红豆杉属植物的保护:本研究界定的三种红豆杉的分布区不连续,形态区别明显并具有不同进化历史,在尼泊尔中部异域分布。谱系地理学和居群遗传学的研究结果表明,与同属其他物种相比,分布于该地区的三种红豆杉具有较低的遗传多样性。由于红豆杉属植物沿兴都库什-喜马拉雅山系分布在的不同国家,因此每个物种都可看做是一个独立的显著进化单元。基于本研究的结果,我们建议沿兴都库什-喜马拉雅地区分布的三种红豆杉属植物应首先采取就地保护的策略,居群具有高遗传多样性的地区可作为就地保护的优先保护区域。而且很多红豆杉居群已在兴都库什-喜马拉雅地区的保护地区。然而,对保护策略和管理还需进一步完善,特别要控制过度放牧以促进资源再生。我们特别推荐利用森林群落学的方法促进不同隔离居群之间的基因流。此外,迁地保护可作为就地保护的有力补充,包括活体植物、种子和遗传材料的种质资源收集和保存应该优先开展,对那些具有高遗传多样性和私有单倍型的居群和个体都应给予特别关注。红豆杉属植物各种规模的人工种植是实现减少因日趋增长的对紫杉醇需求对野生居群采集压力的有效途径。本文也对不同国家不同情况下几种可能的保护措施进行了详细讨论。
语种: 英语
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.kib.ac.cn/handle/151853/18679
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RAM CHANDRA POUDEL.兴都库什-喜马拉雅地区红豆杉属植物物种界定与保护遗传学研究 .[博士学位论文].中国科学院研究生院.2012
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