（植物学专业论文）金钱槭属植物谱系地理学研究.pdf

金钱械属植物谱系地理学研究 摘要 金钱槭属( d i p t e r o n i ao l i v ) 归属于槭树科( a c e r a c e a e ) 为中国特有属，是 北温带植物区系中古老、残遗的木本属之一。属下仅包括国家二级濒危保护植物 云南金钱槭阻d y e r a n ah e n r y ) 和国家三级濒危保护植物金钱槭( ds i n e n s i s o l i v ) 。现今植物仅残存分布于我国的陕西、甘肃、河南、湖北、湖南、四川、 云南和贵州等地，分布范围支离破碎，呈现明显的斑块化，说明其进化历史上第 四纪冰期可能对它产生了重大的影响。 以金钱槭属植物分布范围内的1 8 个居群为材料，通过p c r 产物直接测序的 方法测定了叶绿体d n a ( c p d n a ) 非编码区序列r p l 2 0 r p s l8 和t m v 内含子。两 序列合并后长度在9 9 5 1 0 1 7b p 之间，共检测到2 0 种不同的单倍型( h a p l - h a p 2 0 ) 。碱基组成a + t 含量较高，百分比值为6 6 1 ，金钱槭属植物具较高水平核 苷酸多样性( p i = 0 0 0 7 ) 矛n 较高水平单倍型多样性( h d = 0 7 1 6 ) 。 分子变异分析( a m o v a ) 结果表明整个分布区金钱槭属的遗传变异主要发生在 居群间( 8 2 8 8 ) ，且居群问的遗传分化很高( g s t = 0 4 9 9 ，f s t = o 8 3 ，n s f o 8 0 2 ) 。 有着显著的谱系地理学结构( n s t g s t ，p g s t , p o 1 0 ) a c c o r d i n gt ot h eg e o g r a p h i c a ld i s t r i b u t i o no fc p d n ah a p l o t y p es p e c u l a t e dt h a t t h es i c h u a nb a s i no rq i n b am o u n t a i no rs h e n n o n g j i am o u n t a i n ss e r v e da sap o s s i b l e r e f u g i u md u r i n gt h eq u a t e r n a r yg l a c i a t i o n s w ep o s t u l a t e dt h a tt h eg e n u sd i p t e r o n i a o l i v i sn o tal a r g e s c a l em i g r a t i o na n dd i f f u s i o na tt h ee n do fi c ea g e t h er e s u l t so fn e s t e dc l a d ea n a l y s i ss h o w e dt h ei n t e r g l a c i a lo rp o s t g l a c i a lr a n g e e x p a n s i o nb yp l a n t sf r o mt h er e f u g i u mf o l l o w e db ya l l o p a t r i ca n dp a s tf r a g m e n t a t i o n s h 印e dt h ep r e s e n td i s t r i b u t i o np a t t e r n so f h a p l o t y p e s a n o t h e rr e a s o ni st h a tr e s t r i c t e d g e n ef l o ww i t hi s o l a t i o nb yd i s t a n c e k e yw o r d s d s i n e n s i so l i v ，c p d n a ，i c ea g e r e f u g i a , g e n e t i cs t r u c t u r e ，p h y l o g e o g r a p h y , 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人 允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。f 学位论文作者签名：柏f 司渍指导教师签名，查哆7 豸 扣o 年厂月口曰矽d 年j 一月口曰 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：柏国晴 孓o o 年罗只0 b 西北大学硕士学位论文 1 1 谱系地理学研究概述 第一章前言 1 1 1 谱系地理学( p h y l o g e o g r a p h y ) 及其发展 生物地理学是一门综合学科，是地理学和生物学之间的边缘学科，它有着很 长的发展史，生物地理学的发展与其他学科( 如地质学、古生物学等) 的发展是紧 密的联系在一起的。近些年来，由于进化生物学日新月异的变化以及分子生物学 方面新技术的不断出现，加快了生物地理学的发展。谱系地理学( p h y l o g e o g r a p h y ) 是a r i s ee ta 1 ( 1 9 8 7 ) 最早提出，是生物地理学的一个新兴分支，主要研究种内和 近缘种间基因谱系地理格局的历史演化过程，以及形成的原理 a v i s ee ta 1 1 9 8 7 】。 通过探讨物种经历冰期、地理分隔和隔离分化等地质历史事件之后，对现在的地 理分布格局和谱系进化产生什么样的影响，并进一步的推测其现代地理分布格局 形成的历史过程 a c i s e 2 0 0 0 】。谱系地理学不仅可以用来研究植物空间分布上的遗 传变异，还可以迸一步阐明物种当今地理分布模式的历史成因，还可以用于探讨 种内种群的历史演化关系。谱系地理学研究中关于基因单倍型( h a p l o t y p e ) 之 间的网络关系和基因谱系间的网络关系通常运用网状支系分析( n e s t e dc l a d e a n a l y s i s ) 法。通过各种生物学统计分析，推测出等位基因的相对年龄以及支系与 支系之间的关系，研究物种在不同地质年代所经历的演化事件：如由于地理隔离 造成的居群分化程度与地理之间的关系，气候巨变造成物种栖息地变化、近代居 群扩张或栖息地破碎化等等 t e m p l e t o n e ta 1 1 9 9 5 】。此外，谱系地理学为群体遗传 学开拓了一个新的研究领域。用来研究探讨历史作用对物种遗传结构的影想 r i e s e b e r g2 0 0 0 1 。 传统生物地理学与谱系地理学的主要区别在于：传统生物地理学研究的主要 内容是生物随着时间变化形成的空间分布式样及其形成的原因，即研究按时空梯 度生物的分布模式，并且生物地理学还强调较高分类水平的地理分布式样。比如， 木兰目植物和有袋类哺乳动物等的地理分布模式。一方面，基于化石数据并且与 气候变迁相互对照研究物种历史的分布格局，以此寻找植物分布变化的历史轨迹 h u n t l e y , 1 9 8 8 ；w a m e r , 1 9 8 2 ；p i e l o u ，1 9 9 1 ，另一方面，植物孢粉质地坚硬的外壁 具有耐高温、耐溶解的特性，能够长期地沉积保存在地层中，因此植物孢粉是进 第一章前言 行该研究的最好的证据之一 l i n d b l a d hc ta 1 ，2 0 0 2 。需要指出的是化石和孢粉证 据的取样难度都很大，在物种水平上很难鉴定；而且往往由于取样不足致使精确 度不高，因而就很难反映个物种在其整个分布区内的变迁动态( 比如冰期避难 所以及冰期后的迁移路线) c r u z a n t e m p l e t o n ，2 0 0 0 。而谱系地理学的研究则偏 重于强调有共同起源历史的近缘物种的现代分布格局。种内居群间的遗传变异也 在其研究范围。因此，谱系地理学的研究被称为是种内水平微进化( m i e r o e v o l u t i o n ) 与种及种上水平宏进化( m a e r o e v o l u t i o n ) 之间的桥梁 王静，李明，魏辅文等 2 0 0 1 。在近缘种谱系地理学的研究方面不仅可以研究物种形成以及杂交渗入，而 且对于推测每个物种冰期分布范围变迁的动态过程都具有十分重要的意义 a v i s e c ta 1 ，2 0 0 0 1 。谱系地理学研究是一项相当复杂的工作，需要从多层面切入来对问 题进行分析探讨。 目前，在所有涉及到生物进化的生物期刊中，谱系地理学文章所占的比重越 来越大，表明谱系地理学研究己经成为国际上非常活跃的研究领域之一，谱系地 理学早期主要是应用线粒体d n a ( m t d n a ) 限制性酶切技术 b r o w ne ta 1 ，1 9 7 4 ； u p h o l te ta 1 ，1 9 9 7 进行研究，探讨居群的系统地理模式以及居群间的系统发育关 系，检测遗传变异在地理上的分布格局，以及确定各个水平上的系统关系。 关于这方面的首篇报道是a v i s e ( 1 9 8 7 ) 运用该技术研究囊鼠( g e o m y sp i n e t i s ) 居群 间的系统发育关系，此研究是谱系地理学研究的雏型。该研究的结果是两个种群 间有多个单倍型，并且这些单倍型之间存在相互关系。把囊鼠种内清楚地分为西 部、东部两个种群。 近年来谱系地理学能够得以快速发展，主要有分子生物学技术的发展引起 的。2 0 世纪9 0 年代以来，随着p c r 技术的引入和普及以及d n a 测序技术的简 单易行 t a l b o t & s h i e l d s ，1 9 9 6 ；d as i l v a & p a t t o n ，1 9 9 3 ，使得该研究领域迅速发 展，尤其是对第四纪冰期以来气候剧烈变化对生物的进化历史、遗传结构以及地 理分布等的影响提出了许多解释 t r e m b l a y s c h o e n ，1 9 9 9 ；a u s t e r l i t z e ta 1 ，2 0 0 0 ： a b b o t te ta 1 ，1 9 9 5 ，2 0 0 0 ：d u m o l i n l a p e g u ee ta 1 ，1 9 9 7 ：c o m p se ta 1 ，2 0 0 1 ；g u g e r l ie t a 1 ，2 0 0 1 a , b ；t o m a r ue ta 1 ，1 9 9 7 ：j o h a n s e n & l a t t a , 2 0 0 3 ；a b b o t t & b r o c h m a n n ，2 0 0 3 】。 二是分析方法的改进。网状支系分析( n e s t e dc l a d ea n a l y s i s ) 是对传统聚类分析方 法的补充和改进，利用基于n c a 而重建基因谱系间的关系( g e n eg e n e a l o g y ) 以及 基因单倍型( h a p l o t y p e ) 之间的网络图，并且通过生物学统计分析，可以推测出等 2 西北大学硕士学位论文 位基因的相对年龄，以及支系与支系之间的关系，由此得出居群在不同的地质年 代所经历的演化事件，如近代居群扩张或栖息地破碎化等 t e m p l e t o n e ta 1 ，1 9 9 5 1 。 在该领域的研究，尤其是对欧洲物种和北美物种的研究最为活跃、最为详细。 比如，g r i v e ta n dp e t i t ( 2 0 0 2 ) 用e p d n a 片段检测了广布于欧洲的常青藤整个自 然分布区的谱系地理结构，发现第四纪冰期时该物种在欧洲存在三个冰期避难 所，即西班牙、巴尔干半岛、意大利或者阿尔卑斯地区，冰期后这三个避难所沿 不同的迁移路线向北迁移。通过对欧洲以及北极大陆数种植物的谱系地理学分析 a b b o t t & b r o c h m a n n ，2 0 0 3 ；j e n s e ne ta 1 ，2 0 0 2 ：a b b o t te ta 1 ，2 0 0 0 ：p e t i te ta 1 ，2 0 0 2 ； c o t t r e l le ta 1 ，2 0 0 2 ，获得了欧洲一些重要树种的不同地理居群的谱系关系，验证 了根据古抱粉学研究提出的在第四纪冰期时欧洲植物的冰期避难所以及冰川退 却后这些植物从避难所向外扩张的迁移路线。在北美，也确定了几个冰期避难所 ( 尽管与欧洲不同) ，主要位于太平洋西北海岸和阿巴拉契亚山脉的东南部 g o d b o u te ta 1 ，2 0 0 5 ；h e w i t t ，2 0 0 4 ：j a r a m i l l o c o r r e ae ta 1 ，2 0 0 4 ：a v i s e ，2 0 0 0 ；m i t t o n e ta 1 ，2 0 0 0 ；s o l t i se ta 1 ，19 9 7 。 中国植物分子谱系地理学研究的起步相对较晚。我国台湾的谱系地理学研 究要领先于大陆 c h u n ge ta 1 ，2 0 0 7 ；s e t o g u c h ie ta 1 ，2 0 0 6 ；c h e n ge ta 1 ，2 0 0 5 ；w a n ge t a 1 ，2 0 0 4 ：h u a n ge ta 1 ，2 0 0 2 ：l ue ta 1 ，2 0 0 1 ；c h i a n ge ta 1 ，2 0 0 1 ，用此方法研究大 陆与台湾岛屿间断分布的植物种类谱系地理形成格局。比如，l ue ta 1 ( 2 0 0 1 ) 对 分布于台湾和大陆地区的杉木( c u n n i n g h a m i ak o n i s h i i ) 物种利用c p d n at r n d t 片 段进行了细致的谱系地理学研究，推测出冰期时物种以大陆南部的浙江、广东以 及云南为冰期避难所，而台湾地区这些现有的居群是在冰期后种子从大陆的避难 所经过长距离迁移来的。此后，c h i a n ge ta 1 ( 2 0 0 4 ，2 0 0 6 ) ，c h u n ge ta 1 ( 2 0 0 7 ) , h u a n g e ta 1 ( 2 0 0 1 ，2 0 0 2 ，2 0 0 5 ) 和c h e n ge ta 1 ( 2 0 0 5 ) 对分布于大陆以及台湾的树种进行了 谱系地理学研究。近年来，大陆学者也纷纷开展了一系列关于谱系地理学方面的 研究。比如，z h a n ge ta 1 ( 2 0 0 5 ) 对分布于青藏高原以及边缘地区的祁连圆柏 ( j p r e w a l s k i i ) 居群的c p d n a 序列变异运用d n a 分子测序技术进行研究。研究表 明，在冰期时青藏高原台面上经历了来自多个避难所居群的共同回迁，以及随后 的奠基者效应使得相同的单倍型固定于多数居群中；在高原边缘的低纬度地区可 能存在多个冰期避难所，边缘居群由于瓶颈效应致使不同单倍型高频率的随机固 定。银杉( c a t h a y aa r g y r o p h y l l a ) w a n g & g e ，2 0 0 6 居群的谱系地理学研究表明 3 第一章前言 银杉分布的片断化是第四纪冰期气候波动所致，广布的群体逐渐萎缩保留在位于 东部的八面山、南部的大瑶山、中南部的越城岭和西部的大娄山四个相互隔离的 避难所中，并且位于避难所的银杉居群在冰期后并没有发生大规模的群体扩张现 象。s h e ne ta 1 ( 2 0 0 5 ) 根据c p d n a 片段的谱系地理学研究，表明银杏( g i n k g o b i l o b a ) 可能的冰期避难所位于贵9 i 1 和重庆交界的金佛山，从而否定了之前关于 银杏可能的冰期避难所是中国东部天目山的观点。此外，藏原羚( p r o c a p r a p i c t i c a u d a t a ) 、青藏高原特有物种一褐背拟地鸦( p s e u d o p o d o c e sh u m i l i s ) 、露蕊乌 头( a c o n i t u mg y m n a n d r u m ) 以及广布种青海云杉( p e r a s s i f o l i a ) 的谱系地理学研 究 z h a n g j i a n g ，2 0 0 6 ；w a n g g e ，2 0 0 6 ；z h a n ge ta 1 ，2 0 0 5 ；m e n ge ta 1 ，2 0 0 7 ， 都在国际主流刊物上发表，并得到国内外有关专家的广泛认可。 1 1 2 分子生物学技术在谱系地理学中的应用 在谱系地理学这一概念没有正式提出之前，在很多有谱系地理学雏形的研究 报到中，等位酶是应用最为广泛的分子标记手段，也是最早应用于群体遗传学的 分子标记 h a r r i s1 9 6 6 ；h u b b y & l e w o n t i n1 9 6 6 。等位酶是位于同一基因位点上 由不同等位基因编码的同一种酶的不同分子形式。遗传因素决定了等位酶的组 成，因此等位酶不受环境因素的影响。然而，等位酶标记仅适用于有限的若干酶 系统，酶谱的变化实际上反应的就是基因型的差异。始于2 0 世纪6 0 年代的等位酶 技术，不仅在分子生态学领域中获得巨大的成功并在多个领域获得了巨大成就。 如t o m i m a t s u 禾l j 用等位酶分子标记手段就日本香草植物( t r i l l i u mc a m s c h a t c e n s e ) 的 群体结构和遗传多样性进行了研究。他们一共采集- j 5 1 7 个样本，样本分布于日 本北海道东部1 2 个分离的居群，通过采用聚丙烯酞胺凝胶电泳的方法分离出并分 析了6 种等位酶的电泳图谱，实验结果表明多肽位点的等位基因数与群体的大小 呈现正向关性。并且每个位点的等位基因数与群体大小也呈现出明显的正相关 性，研究结果显示群体间的遗传分化不大，但依然把日本香草植物( t r i l l i u m c a m s c h a t c e n s e ) 分布范围内的1 2 个分离居群聚成了两类，居群的分离情况与当今 的地理分布相一致 t o m i m a t s ue ta 1 2 0 0 4 。然而，由于等位酶标记存在缺陷， 只能检测到部分的酶基因的变异，变异总量不到核基因变异的三分之一，因此逐 渐地被其他分子标记( 女i s s r 、a f l p 、p c r r f l p 以及d n a 钡u 序等手段) 所代替。 d n a 分子标记是以d n a 序列变异为基础的遗传标记，是d n a 水平遗传多 态性的直接的反映。常用的d n a 标记形式有如下几种：随机扩增多态性d n a 4 西北大学硕士学位论文 标记( r a p d ) ；限制性片段长度多态性标记( r f l p ) ；d n a 简单重复序列( s s r ) ； 扩增的限制性片段长度多态性标记( a f l p ) ，该技术的原理是利用限制性内切酶 对基因组进行有选择的扩增；单核核普酸多态性( s n p ) 等。此处所讲的d n a 的片 段包括用限制性酶裂解后直接获得的样本d n a 片段，还有以样本的原有d n a 为模 板，经过适当引物和p c r 扩增获得的衍生d n a 产物。多种多样的d n a 分子标记形 式它们的基本原理都是类似的，就是通过特定的分子技术手段显示出不同个体之 间d n a 序列内部本身的不同。 种的地理起源、分布历史以及分类特征都可以通过d n a 分子标记的方法来 确定，针对物种遗传变异的来源有更好的了解。关于地理环境是否对遗传变异产 生影响也能给出很好的解释。对于了解植物种群的起源和发展提供了便利，d n a 分子标记在谱系地理学研究中被广泛使用。但是在这些分子标记( 如s s r 、a f l p 、 p c r r f l p ) 中，只能够检测到等位基因的状态，却不能够说明等位基因间的相 互关系。相比而言，d n a 序列则是包含了更丰富遗传信息的遗传标记，其中包 括等位基因间的关系。由于d n a 是生物进化史的主要记录者，也是生物体内最 主要的遗传物质，含有机体内大部分的遗传信息，它能够组成遗传指令，以引导 生物发育与生命机能的运作。因此关于对生物体d n a 多样性的研究最好的办法就 是对该生物体d n a 序列的直接分析；分析生物历史进化历程最有效的办法同样是 对生物体d n a 序列的直接分析；在确定物种间的进化关系方面，d n a 序列直接分 析的方法也具有更多的优越性。近年来，由于测序技术的飞速发展特别是测序成 本的降低使测序技术得到了广泛的普及及应用。通过对特定d n a 序列进行p c r 扩增，扩增产物直接测序的序列数据分析方法的不断完善，使得现在d n a 测序 已经被广泛应用于群体遗传学、分子系统学、谱系地理学等诸多研究领域中 m e n g e ta 1 2 0 0 7 ：p o te ta 1 2 0 0 5 ：n e a l e & s a v o l a i n e n2 0 0 4 ：k a d oe ta 1 2 0 0 3 ；d v o m y k e ta 1 2 0 0 2 ；a g u a d e2 0 0 1 ：k u i t t i n e n & a g u a d e2 0 0 0 ；f i l a t o v & c h a r l e s w o r t h19 9 9 ； i n n a ne ta 1 1 9 9 6 。 谱系地理学研究中首选的、最受欢迎的遗传标记是单亲遗传的基因组。主 要原因有如下几个方面：首先，在同一种群内，单亲遗传的基因组( 如c p d n a 、 m t d n a ) 受遗传漂变的影响比双亲遗传的核基因组受遗传漂变的影响更大，单 亲遗传的基因组的分化程度比双亲遗传的核基因组的分化程度更大。单亲遗传的 基因组较之双亲遗传的核基因更具有显著的独特性 h e w i t te ta 1 1 9 9 6 】。其次，在 5 第一章前言 保持遗传多样性格局方面单亲遗传的线粒体d n a 或叶绿体d n a 比双亲遗传的核 d n a 更具有优势，更长久。特别是在研究植物第四纪冰期避难所、冰期后的扩张 和迁移方面更有意义，更能够说明问题 p e t i te ta 1 1 9 9 3 ；e r m o s1 9 9 4 。 被子植物叶绿体d n a 有其自身特有的特点。它的分子量普遍较小，存在多拷 贝区，属于单亲遗传，重要的是结构简单且不发生重组。通过对多种植物的研究 表明：在高等植物中，叶绿体d n a ( c p d n a ) 以环形闭合、双链共价的形式存在， c p d n a 一般都是母系遗传的，每个叶绿体中都含有几百到几千个分子，有其独 立的进化路线，可以直接构建分子系统树。陆生植物c p d n a 的进化速率较慢， 保守性较强。主要表现在：( 1 ) 大部分陆生植物c p d n a 基因组的大小，编码基 因的数目以及基因的排列顺序是相似的；( 2 ) 叶绿体编码的基因是高度保守的。 但非编码区的核酸替代速率相对较高，能提供较多的具系统学意义的信息位点。 现有的研究表明叶绿体d n a 变异在物种水平上，在居群内个体间以及种内居群 间都有变异 n e w t o ne ta 1 1 9 9 9 ；w o l f ee ta 1 1 9 9 2 ；t a b e r l e te l ：a 1 1 9 9 1 。 基于现有研究植物叶绿体基因相对核基因是保守的，因此人们能够开发出在 各种植物中都能够利用的叶绿体引物。我们通过有目的地选择基因的不同区域 ( 如基因编码区，基因非编码区，内含子) 进行扩增测序，以进行种间、种内水 平的研究。叶绿体基因对遗传漂变较核基因敏感。较核基因含有更丰富的系统学 信息位点。可以通过植物c p d n a 来重建物种之间的亲缘关系 “ue ta 1 2 0 0 2 ， 2 0 0 6 ：w a n ge ta 1 2 0 0 4 ，2 0 0 7 ，同样对种内谱系地理学的研究也有非常重要的意 义，在微水平的研究具有广阔的前景 z h a n ge ta 1 2 0 0 5 ，2 0 0 6 ，许多学者已经广 泛的使用叶绿体d n a ( c p d n a ) 来研究物种种群间的基因流状况、种群的形成历 史，能够很好的揭示第四纪冰期后植物的迁移扩张路线。能够很好推测第四纪时 植物的分布状况 t r e m b l a y s c h o e n1 9 9 9 ；n w e t o ne ta 1 1 9 9 9 ；p e t i te ta 1 1 9 9 7 】。 1 2 第四纪冰期对生物分布格局和生物种群结构的影响 植被分布和生长最重要的影响因素是气候的变化，随着气候的变化，植被的 生长和分布也发生了相应的变化。植物适应性进化以及地理分布区的改变都是由 气候和环境的变化而引起的。气候和环境的变化对新物种的产生也有很大的影响 h a l l a m1 9 9 4 ；e t t e r s o n & s h a w2 0 0 1 。第四纪冰期( 约2 , 0 0 0 ，0 0 0 年前) 对现代 生物类群的影响最大，这一时期大致有四次冰期，其中最近次冰期对生物分布 6 西北大学硕士学位论文 的影响最大，发生在大约6 5 0 0 0 - 1 0 0 0 0 年前，在这时期我国为大理冰期，欧 洲和北美洲分别为武木冰期和威斯康星冰期【y a n g1 9 8 7 。 盛冰期时，巨大的冰盖覆盖了北美洲和欧洲的大部分地区以及亚洲的北部地 区。此时地球的温度骤然变冷。地球表面物理发生显著变化。温度的降低和地球 表面物理发生的变化均导致生物在分布区域方面产生较大的改变。生物避难所是 生物在冰期逃避劫难的场所，生物避难所就是在冰期，特别是最近一次冰期中， 动植物逃避冰期恶劣气候相对集中的区域，也是冰期后物种重新分布的起点。生 物冰期避难所有两种类型，一种类型是热带避难所，由于冰期温度骤然下降，植 物为了生存不的不躲避恶劣的气候纷纷向赤道方向迁移 w i l l i sa n dw h i t t a k e r 2 0 0 0 。另一种类型是位于冰原附近，冰盖在向赤道推进的过程中由于受地理因 素的影响，使冰盖前缘呈犬牙状或指状，其间分布着许多未被冰川覆盖的区域， 成为容纳生物生存的“口袋 ，这类区域即所谓的温带生物避难所。冰期后随着 温度的回升和冰川的消退，在冰期避难所的植物必然重新扩散，使其分布范围重 新的扩大( r e c o l o n i z a t i o n ) 。由于第四纪冰期与间冰期相互交替，导致了气候冷 暖频繁交替，这使得一些类群经历了迁移一扩张一再迁移一再扩张的过程，植物 遗传结构和种群的现代分布格局就在这个反复的过程中受到了强烈地影响产生 了巨大的变化 a n d e r s o ne ta 1 2 0 0 6 ；j a r a m i l l o c o r r e ae ta 1 2 0 0 4 ；h e w i t t2 0 0 4 ；h a m p e r e ta 1 2 0 0 3 ；p e t i t & g r i v e t2 0 0 2 ；m a r d u l y n2 0 0 1 ；a b b o t te ta 1 2 0 0 0 】。通过比较第四纪 最末次大冰期( l a s tg l a c i a lm a x i m u m ；约2 0 ，0 0 0 年前) 时的植物群落组成与 冰期后植物群落组成发现，温度由冷变暖、再转冷的变化过程与植被的变化是极 其相似的。这种变化不仅表现为植物种类的迁移与空间分布格局的变化，还表现 为植被类型的演替 h e w i t t2 0 0 1 。现在有许多高山动植物的特殊地理分布格局都 可能是由这一原因造成的 k r o p f e ta 1 2 0 0 2 ，2 0 0 3 。第四纪冰期对物种的起源、 扩散产生巨大的影响，因此第四纪冰期对现今生物种群地理分布及其遗传结构的 影响成为当前的一个研究热点，这与生物多样性的保护也有着十分密切的关系 n e w t o ne ta 1 1 9 9 9 。 中国虽然地处中低纬度地区，在第四纪冰期没有被冰川覆盖，只有零星的 山岳冰川。但是对中国植物的种群结构和分布格局也产生了一定的影响。影响最 为明显的是青藏高原地区。在第四纪青藏高原等西部高山高原曾有冰川活动。在 中国的东部地区也发现有古冰川遗迹呈零星分布 李吉均等，2 0 0 4 。中国过去气 7 第一煮前言 候变化对生物分布的影响基本上是根据特有种或孑遗物种的分部来判断的。目前 的研究还处于初始阶段，如，通过对植物孑遗种水杉、福建柏、鹅掌揪和动物孑 遗种滇金丝猴、羚牛的研究我们推测滇西高山峡谷地区、粤桂湘赣南岭山地和湘 川鄂边境地区可能是第四纪冰川时的重要避难所 沈浪等2 0 0 2 ；张荣祖2 0 0 4 。 根据现存陆生物种的地理残留推测中国东部地区是重要的冰期避难所。通过对第 四纪地层中的植物化石和孢粉研究也表明，在中国同一种植物在不同时期地理分 布范围发生巨大的改变。有些树种从第四纪早期到现代，在山区垂直分布带上， 上下移动超过1 , 0 0 0 2 , 0 0 0 m ，甚至在水平地带能够移动了十几个纬度 邓德山 2 0 0 2 3 。这些结论目前没有直接有效的技术和方法进行确定，只能根据一些间接 的证据或资料来推测。此外，由于避难所相互隔离，避难所之间缺乏基因的交流， 使得避难所内物种加速了不同居群间的分化，为新种或新亚种的形成提供了有利 的条件 w i l l i sa n dw h i t t a k e r2 0 0 0 。 1 3 金钱槭属植物的研究背景 金钱槭属( d i p t e r o n i ao l i v o ) 及其模式种金钱槭( 刀s i n e n s i so l i v ) ，早在1 8 8 9 年由o l i v e r 根据a h e n r y 采集的标本命名，该属内另一物种国家二级濒危植物 云南金钱槭( d d y e r a n ah e n r y ) 由h e n r y 在1 9 0 3 年命名 h a l l ，1 9 6 1 。根据化 石研究我们推测金钱槭属较槭属更原始，它保留了羽状复叶的特征 w o l f e & t a n a i1 9 8 7 ( 图1 1 ) 。 赵先贵等( 1 9 9 8 ) 通过对槭树科花粉形态的研究发现：槭树科中槭属内的花 粉形态既有三孔沟也有三沟，槭树科中的另一属金钱槭属的花粉形态为三孔沟。 根据现代被子植物花粉类型的演化顺序( 3 沟一3 拟孔沟一3 孔一3 沟) 我们认为金 钱槭属较槭属更为进化 温坎坡等，1 9 9 0 。而田欣等( 2 0 0 1 ) 通过对槭树科植物 花粉形态的研究发现：槭树科中花粉的演化趋势不同于一般的演化趋势，认为金 钱槭属比槭属更原始。在金钱槭属内，二级濒危植物云南金钱槭和三级濒危植物 金钱槭在花粉的形态和大小方面存在差异，云南金钱槭的花粉形态为近球形 ( s u b s p h e r o i d a l ) 金钱槭的花粉形状为长球形( p r o l a t e ) ，金钱槭的花粉粒比云南 金钱槭的花粉粒要大( 图1 - 2 ，l 、2 为金钱槭花粉粒，3 、4 为云南金钱槭花粉粒) 。 地 学顾t 学位论i l 而再i 一 戳 图卜l ：金钱槭叶子和果实的化石 f i 9 1 - 1 ：t h e f o s s i l o f d i p t e m u i a s i 衄f a g ea n d f r u i t 花扮粒女士( ) 盒自l 糠：( 2 0 a - , - 7 3 ) 2 4 x l b 耳1 5 3 0 2 坤， 云杆0 散挂：( 拽1 - 2 5 5 ) 2 2 5 x 2 1 4 n q 4 - 2 2 4 l 图卜2 ：金钱槭和云南金钱槭花糟粒图片 f i g i o ：t h ep i c t u r eo f n s i n e n s i sa n d n o y e 岫d - s 血m g 呻r 欧阳志勤等( 2 0 0 7 ) 通过对云南金钱槭的生态学特征的研究，就国家_ 二级濒 危植物云南金钱槭的保护提出如下两点保护措施：( 1 ) 在其生长地建立保护区实 行就地保护措施，( 2 ) 对其幼苗实行人工培育等保护措施。欧阳志勤等( 2 0 0 6 ) 研究表明云南会钱槭扦插曲的牛活力明显优于种子实生苜，云南金钱槭甘j 实有效 的繁殖方法就足嫩枝扦插繁殖。通过对云南金钱槭的生存状况调查发现：分布区 森林乔木的砍伐并没有对云南金钱槭的群落造成巨人的破坏，对其生存最大的威 胁是农地的扩_ 夫，要保持高数量的个体研究认为适当的干扰时必需的 苏立华等 第一章前言 2 0 0 6 1 。李珊等( 2 0 0 4 ) 研究表明云南金钱槭的形态变异受遗传因素的影响不大， 主要是受环境因子的影响。通过对金钱槭和云南金钱槭的迁地保护研究表明：云 南金钱槭经过精细的人工管理迁地栽培是可以取得成功的，金钱槭在新环境下是 可以勉强生长的，但是一般不能够繁衍后代 欧阳志勤等2 0 0 1 ，祁云枝等2 0 0 1 。 在分子研究方面，李珊( 2 0 0 4 ) 首先采用了r a p d 标记对金钱槭属内云南金 钱槭和金钱槭进行了遗传多样性研究，结果表明云南金钱槭的遗传多样性和群体 间的遗传分化水平皆低于金钱槭。还运用了p c r - - r f l p 标记，通过该属植物叶 绿体d n a 进行了亲缘地理的初步研究，在金钱槭的居群内检测出五种单倍型， 云南金钱槭的居群内仅仅存在一种单倍型。云南金钱槭和金钱槭不存在共有单倍 型，利用这些单倍型简单的描述了该属植物的地理分布模式。针对金钱槭属内的 国家二级濒危保护植物云南金钱槭，罗瑜萍( 2 0 0 6 ) 对其进行了保护遗传学方面 的研究，据实验结果推测云南金钱槭居群遗传多样性低、居群遗传分化高是由有 限的基因流和瓶颈效应造成。在分子生物学领域新技术不断的出现使得前期研究 中的技术手段不断的遭到淘汰( p c r i 疆l p 标记多态位点检测率低、r a p d 标 记稳定性差) 。杨娟( 2 0 0 8 ) 运用相对较新的d n a 指纹分析技术a f l p ( 扩增片段 长度多态性) ，c p s s r ( c h l o r o p l a s ts i m p l es e q u e n c er e p e a t ，叶绿体微卫星) 标记技 术，d n a 序列分析对金钱槭属植物居群遗传结构谱系地理进行了深入研究，研究 结果显示金钱槭属内的两个种之间发生了较大的分化，由叶绿体d n a 生成的单 倍型在云南金钱槭和金钱槭两种之间不存在共享，云南金钱槭的冰期避难所位于 云南省的东南部地区，金钱槭的冰期避难所较多，主要有神农架山脉、武陵山脉、 伏牛山山脉、大巴山山脉和秦岭山脉。 1 4 本研究的目的和意义 金钱槭属( d i p t e r o n i ao l i v ) 归属于槭树科( a c e r a c e a e ) 为中国特有属，属 下仅包括国家二级濒危保护植物云南金钱槭( nd y e r a n ah e n r y ) 和国家三级濒 危保护植物金钱槭( d s i n e n s i so l i v ) 应俊生等，1 9 9 4 ；