广义红豆杉科系统发育基因组学与生物地理学研究

	广义红豆杉科系统发育基因组学与生物地理学研究
	汪洁
导师	高连明
关键词	广义红豆杉科，叶绿体基因组，二代条形码，系统发育基因组学，生物地理 Taxaceae s.l., Plastomes, Super-barcoding, Phylogenomics, Biogeography
摘要	广义红豆杉科是裸子植物中重要的支系，隶属于柏支，现认为包括6属约40种。该科现存物种被认为是第三纪孑遗物种，经历过复杂的演化历史，多数物种为受濒危物种，具有重要的保护价值、经济价值和生态价值。虽然对于红豆杉科的系统演化和生物地理学开展过一些研究，但由于取样限制和研究方法的制约，红豆杉科物种界定，系统发育关系，地理分布格局成因等科学问题至今尚未完全得到解决。本研究对红豆杉科现存全部物种进行多个体取样，基于基因组浅层测序方法（二代条形码）进行物种界定研究；在此基础上，利用叶绿体基因组，nrDNA和线粒体基因构建红豆杉科的系统发育树，基于分子钟估算和祖先分布区重建分析，揭示了红豆杉科植物的时空演化历史与地理分布格局成因。主要结果和结论如下： 1. 三尖杉属、穗花杉属和榧树属的物种界定基于基因组浅层测序数据，获得了三尖杉属、穗花杉属和榧树属全部物种（每个物种2–5个个体）共75个样本的二代条形码数据（叶绿体基因组和nrDNA序列）。基于叶绿体全基因组对三尖杉属的物种鉴定分析表明，与标准DNA条形码相比，叶绿体全基因组具有更高的物种分辨率和节点支持率；支持将宽叶粗榧并入粗榧，将高山三尖杉提升为种，提出分布于云南东南部喀斯特地区的三尖杉属植物为1个新的隐存种。基于超级条形码的鉴定结果，提出三尖杉属包括9个种的分类建议，均得到了形态和地理分布证据的支持；叶绿体基因组中筛选出8个核苷酸位点高变区，其中ycf1和rps16具有最高的物种分率，与基于叶绿体全基因组的物种鉴定率相同，考虑到片段长度，推荐rps16作为三尖杉属专用DNA条形码用于物种鉴定。穗花杉属的二代条形码分析结果表明，叶绿体基因组具有高的物种鉴定能力，除河口穗花杉外，全部物种均能成功鉴定，并得到高度支持；结合地理分布与条形码的结果，建议将河口穗花杉处理为山地穗花杉的异名。榧树属的二代条形码分析结果表明，该属所有物种（含变种）均能成功鉴定，且得到高度支持。叶绿体全基因组在红豆杉科植物中具有极高的物种鉴定效率，可作为该科物种鉴定的超级条形码用于物种鉴定。 2. 广义红豆杉科系统发育基因组学在物种准确鉴定的基础上，利用从基因组浅层测序获取的叶绿体全基因组、nrDNA和线粒体基因序列，对红豆杉科6属44种（含变种）进行了系统发育基因组学研究。结果表明，红豆杉科所有物种的叶绿体基因组结构相同，都丢失了一个IRa；叶绿体基因组在属内高度保守，属间存在差异，具有明显的系统发育特征。基于三套基因组数据（叶绿体基因组83个基因、nrDNA和线粒体27个基因）构建的红豆杉科系统发育树表明，三套基因组得到的属间系统发育关系一致，红豆杉科6个属均为单系，并得到强烈支持，三尖杉属与狭义红豆杉科形成姐妹群，其中穗花杉属与榧树属聚为一支，南紫杉属、白豆杉属和红豆杉属聚为另一支，南紫杉属构成白豆杉属和红豆杉属的姐妹群，各节点均得到高度支持。基于叶绿体基因组构建的红豆杉科属内种间系统发育关系得到完全解决，且得到高度支持，但是穗花杉属、榧树属和红豆杉属的种间关系存在明显的核质冲突，以及叶绿体和线粒体之间的冲突，推测可能因为三套基因组的遗传方式不同，种间杂交和渐渗或叶绿体捕获等导致。提出物种多个体取样，单系遗传的叶绿体基因组与双亲遗传的nrDAN共同作为二代条形码用于植物物种鉴定至关重要的观点。 3. 广义红豆杉科的起源与生物地理格局成因红豆杉科各类群的分化时间估算结果显示，广义红豆杉科与柏科的分化时间发生在三叠纪晚期，之后三尖杉属和狭义红豆杉科在侏罗纪早期开始分化，狭义红豆杉科的两个分支也在侏罗纪早期分化形成，在白垩纪晚期之前全部属分化形成，并可能均经历了长期的进化停滞期和物种灭绝事件。结合化石记录和祖先分布区重建分析，推测红豆杉科起源于劳亚古陆高纬度地区，在由北向南迁移的过程中分化为两支；三尖杉属由祖先分布区扩散到中国-日本森林亚区，在渐新世晚期开始分化，随后向热带亚洲和中国-喜马拉雅森林亚区扩散并分化成种。狭义红豆杉科由祖先分布区向南扩散，并开始分化成为两支，其中榧树属和穗花杉属扩散到中国-喜马拉雅森林亚区，分别在中新世晚期和更新世早期开始发生分化，其中榧树属发生过至少两次从东亚扩散到北美的事件，而穗花杉属在中国-日本森林亚区分化，并扩散到热带亚洲和中国-喜马拉雅森林亚区；南紫杉属可能其祖先类群在劳亚古陆和冈瓦纳古陆分离时扩散到冈瓦纳大陆后，发生隔离分化；白豆杉属则从祖先分布区分化后扩散到东亚，没有发生物种分化事件；红豆杉属则于始新世至渐新世过渡期在北美开始发生物种分化，通过白令陆桥扩散到东亚后发生物种分化，后经中亚扩散到欧洲，经白令陆桥又扩散回北美东部，向南扩散到热带亚洲。物种多样化历史分析表明，没有检测到该科在新生代发生过多样化事件，可能是灭绝的物种速率大于物种形成速率导致。; Taxaceae s.l. is an important lineage of order Cupressales in gymnosperms, which comprises six genera and c. 40 extant species. Taxaceae species were considered Tertiary relicts and have experienced a complicated evolutionary history. Most species are rare and/or endangered, have important economic and ecological values and are the focus of conservation activities. However, species delimitation, phylogenetic relationships and the biogeography of Taxaceae remained unresolved due to the limitation of sampled species or the use of a few DNA markers, or both. In this study, we employed the complete plastome and nrDNA obtained from genome skimming as a next-generation barcode for species discrimination and tested their performance on species of Cephalotaxus, Amentotaxus and Torreya including 2–5 individuals for each species. We then, based on accurate species discrimination, reconstructed phylogenetic relationships of Taxaceae using the coding genes of the plastomes, mitochondrial genes, and nuclear ribosomal DNA (nrDNA) sequences. We also investigated the spatio-temporal evolutionary history patterns of Taxaceae based on analyses of divergent time estimation and ancestral area reconstructions. The main results and conclusions are as follows. 1. Species discrimination in Cephalotaxus, Amentotaxus and Torreya A total of 75 individuals of all extant species of Cephalotaxus (8 species), Amentotaxus (6 species), and Torreya (8 species) were sampled here, with 2–5 individuals for each species. The next-generation barcode, i.e. the complete plastome and nrDNA sequences, were assembled from the genome skimming data for most species of the three genera. The complete plastome phylogeny of Cephalotaxus showed that the complete plastid genome had a much higher species discrimination rate with strong node support compared to the standard DNA barcode, rbcL, matK, trnH‐psbA, and trnL-trnF. Based on the results of the complete plastome phylogeny, we proposed to merge C. latifolia into C. sinensis, and raise C. fortunei var. alpina to species rank (C. alpina), and the lineage found in the karst region of Southeast Yunnan province was proposed as a new, cryptic species. Finally, a taxonomy with nine species, including a cryptic species, was proposed here, which was also supported by evidence from morphology and geographic distribution patterns. We identified eight highly variable loci from the complete plastid genome of Cephalotaxus, two of them (ycf1 and rps16) showed the highest species discrimination, the same as the complete plastome. Considering the appropriate length of rps16 for Sanger sequencing, it was proposed as a specific barcode for discriminating Cephalotaxus species. For the next-generation analysis of Amentotaxus, the complete plastome showed higher species discrimination ability compared to nrDNA. All species could be successfully identified with highly supported, except A. hekouensis, which should be merged into A. poilanei based on the next-generati
语种	中文
	2022-05
学位授予单位	中国科学院大学
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.kib.ac.cn/handle/151853/75184
专题	昆明植物所硕博研究生毕业学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	汪洁. 广义红豆杉科系统发育基因组学与生物地理学研究[D]. 中国科学院大学,2022.

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