（植物学专业论文）孑遗植物银杏的分子亲缘地理学研究.pdf

浙江大学博士学位论文孑遗植物银杏的分子亲缘地理学研究 摘要 孑遗植物银杏( g i n k g ob i l o b al ) 是世界著名的“活化石 植物，目前在世 界许多地方都广泛栽培。我国可能存在银杏第四纪冰期残存群体，关于银杏的冰 期避难所以及群体遗传结构一直以来都是科学家们感兴趣的课题。本研究通过单 亲遗传的c p d n a 限制性片段长度多态性( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n r e s t r i c t i o n f r a g m e n tl e n g t hp o l y m o r p h i s m ，p c r - r f l p ) ，c p d n at r n k 基因和t r n s t r n g 基因 间隔区序列变异，双亲遗传的n r d n a 的扩增长度多态性( a m p l i f i e df r a g m e n t l e n g t hp o l y m o r p h i s m ，a f l p ) ，以及m t d n a 的n a d 2 内含子序列信息，对银杏 在中国的1 3 个群体，以及日本、欧洲和北美的样品，进行了分子亲缘地理学研 究。在以往研究的基础上，本研究对中国银杏的群体遗传结构和遗传多样性水平 进行了探讨，同时，结合群落生态学资料、地质历史事件、化石资料以及末次冰 期植被重建的资料，推测了第四纪冰期银杏在中国的避难所，并对避难所群体及 栽培群体的遗传结构和遗传多样性进行了分析，提出了保护策略。主要研究结果 如下： 1 c p d n a 的p c r r f l p 分析 c p d n a 的p c r r f l p 分析中，中国的1 2 个银杏群体以及曰本、欧洲、北美 的样品共2 2 0 个个体的基因间隔区序列t r n k l t r n k 2 经限制性内切酶h i n f i 和m s p l 酶切后，共产生1 9 种单倍型类型。西南地区群体重庆金佛山( j f ) 、贵卅i 务川 ( w c ) 、盘县( p x ) 和杉坪( s p ) 以及湖北恩施( e s ) 的单倍型多态性( ，1 ) 为0 7 7 1 4 0 8 8 7 5 ，东部地区的浙江西天目山( t m ) 单倍型多态性( ) 为0 8 4 8 5 ， 中国西南地区的群体和东部浙江西天目山地区形成了两个单倍型中心。分子变异 ( a m o v a ) 的分析结果表明，银杏群体内遗传变异( 9 4 1 7 ) 大于群体间遗传 变异( 5 8 8 ) ，6 s r = 0 2 。在本研究室以前的研究基础上，同时结合群落学资料， 确定了中国西南地区是银杏第四纪冰期在中国的避难所之一。 2 c p d n a t r n k 基因和t r n s - t r n g 基因间隔区序列分析。 在中国的1 3 个银杏群体以及日本、欧洲、北美地区的样品共1 4 5 个个体中， 摘要 c p d n at r n k 基因和t r n s t r n g 基因间隔区序列呈现出9 个单倍型类型和1 1 个变 异位点( 信息位点5 个) 。银杏物种水平的核苷酸多态性( p ) 为0 6 2 x 1 0 - 3 ，单倍 型多态性( ) 为0 2 8 9 ，总体遗传多样性水平较低。西南地区的j f 、w c 、s p 、 p x 和e s 群体一共有5 种单倍型，其中4 种为特有单倍型，单倍型多态性( j 1 ) 为0 0 0 一o 5 6 ，核苷酸多态性( p ) 为0 1 7 2 x 1 0 0 。东部t m 群体有3 种单倍型， 其中2 种为特有单倍型，单倍型多态性( ) 为o 4 7 ，核苷酸多态性( p ) 为0 5 3 x 1 0 3 。 a m o v a 分析结果显示遗传变异主要存在群体内( 6 1 9 4 ) ，但群体间已经出现 相当程度的遗传分化( 3 8 1 6 ) ，f s t = 0 3 8 0 6 5 ，g s t = 0 2 5 0 3 8 。c p d n a 单倍型 分布、单倍型系统发育分析以及网状支系分析( n e s t e dc l a d e a n a l y s i s ) 表明，中 国西南地区为银杏第四纪冰期在中国的避难所，另外，还首次确定了东部浙江 西天目山地区为银杏的另一个避难所。冰期后，银杏群体并没有经历过明显的 群体扩张，但在西南地区避难所群体外围存在一定程度的短距离扩散。银杏的 自然扩张能力有限，而人类的引种和白果买卖促进了银杏在各群体中的传播。 3 a f l p 分析 a f l p 分析了中国1 3 个银杏群体以及欧洲样品共1 0 6 个个体，6 对引物组合 共产生1 0 9 条带峰值清晰、可重复、可判读的条带，其中6 2 条( 5 6 8 8 ) 为多 态性条带。西南地区的e s 群体( 0 1 0 3 ) ，中部地区的d h 群体( 0 1 0 0 ) ，以及东 部的t m 群体( o 1 0 2 ) 具有较高的遗传多样性水平。栽培群体t c 、t x 以及欧 洲栽培银杏遗传多样性水平很低，分别为0 0 2 7 、0 0 4 3 和0 0 6 8 。中部栽培群体 由于种质来源丰富和群体的混杂从而具有较高的遗传多样性。a m o v a 分析结果 表明银杏群体的遗传变异主要存在于群体内( 7 3 5 7 ) ，但群体间已经发生了显 著的遗传分化( 2 6 4 3 ) ，f s t = 0 2 9 。n e i g h b o r - j o i n i n g 分析、p c o a 分析以及 s t r u c t u r e 和b a p s 的分析表明，西南地区群体和中部东部地区群体呈现出两个 独立进化的路线，同时，西南地区群体和东部地区群体分别具有4 条特有的条带， 因此，我们进一步确定了中国的西南地区和东部浙江西天目山地区为银杏第四 纪冰期在中国的避难所。欧洲的群体与中国的群体之间、栽培群体s x 、t x 和 t c 均出现了显著的遗传分化。与历史记载一致，欧洲银杏并非直接起源于中国， l l 浙江大学博士学位论文孑遗植物银杏的分子亲缘地理学研究 但与中国东部群体具有较近的亲缘关系。由于a f l p 分析中缺乏日本的银杏材 料，所以无法获得欧洲银杏通过日本传播的分子证据。 4 m t d n an a d 2 内含子序列分析 克隆测序得到的n a d 2 内含子序列分析表明银杏不同个体之问存在高度变异， 我们推测造成这种高度变异的原因可能是p c r 过程的错配在克隆测序后的反 映，同时发现该序列的二级结构中有较大的颈环结构，可能会阻碍p c r 过程顺 利进行。由于这些随机分布的变异位点不能作为分析的信息位点，因此， n a d 2 内含子序列不适合用于银杏的分子亲缘地理学研究。 5 银杏的进化历史及保护策略 本研究揭示的银杏群体遗传结构表明，在中国存在两个避难所中国西南 的贵州、重庆和湖北交界地区以及东部的浙江西天目山地区。c p d n a 单倍型被 保留在两个避难所地区，冰期后，银杏群体并没有经历明显的群体扩张。银杏群 体的遗传变异主要存在于群体内，但群体间、地区间已经发生了相当程度的遗传 分化。栽培群体与避难所群体也发生了显著的遗传分化，遗传多样性程度低于避 难所群体，欧洲和北美的银杏遗传多样性程度都较低。为了保护避难所地区的遗 传多样性，我们提出了相应的保护策略：( 1 ) 对避难所群体实施就地保护策略， 对银杏古树进行挂牌，纳入国家保护范围；( 2 ) 在迁地保护、取样以及育种时， 尽可能在多个群体中取样，最大限度地保护银杏的遗传多样性。 本研究的创新点和特色：( 1 ) 较系统的群体取样，分析了包括中国、日本、 欧洲和北美的银杏样品；( 2 ) 结合了两种分子标记单亲遗传的叶绿体基因组 和双亲遗传的核基因组信息；( 3 ) 确定了银杏在中国的两个冰期避难所，并推测 了银杏的亲缘地理历史；( 4 ) 初步探讨了中国栽培银杏群体和欧洲银杏的遗传多 样性程度及可能的起源。 关键词：孑遗植物银杏；c p d n a ；a f l p ；亲缘地理学；群体遗传结构；保护策 略 a b s t r a e t a b s t r a c t g i n k g ob i l o b al ，o f t e nr e f e r r e dt oa sal i v i n gf o s s i l ，i saf a m o u sa n dw i d e l y c u l t i v a t e dp l a n t h o w e v e rt h ep o s s i b l ew i l dp o p u l a t i o n so fg i n k g oa r eo n l yr e s t r i c t e d i nc h i n a a c c o r d i n g l y , d e t e r m i n a t i o no fg e n e t i cd i v e r s i t y , p o p u l a t i o ns t r u c t u r ea n d g l a c i a lr e f u g i aa l eo fc r u c i a li m p o r t a n c ei no r d e rt ou n d e r s t a n dt h eh i s t o r i c a lp r o c e s s e s w h i c hg i n k g oh a su n d e r g o n e o u rp r e s e n tw o r ki n v e s t i g a t e dt h ep h y l o g e o g r a p h yo fgb i l o b ai n c l u d i n g1 3 p o p u l a t i o n sf r o mc h i n aa n ds a m p l e so fc u l t i v a t e dt r e e sf r o mj a p a n ，n o r t ha m e r i c a a n de u r o p e t h ea n a l y s i sw a sc a r r i e do u tb a s e do nc p d n ap o l y m e r a s ec h a i n r e a c t i o n - r e s t r i c t i o nf r a g m e n tl e n g t hp o l y m o r p h i s m ( p c r r f l p ) ，c p d n at r n k g e n ea n dt r n s t r n gi n t e r g e n i cs p a c e r , a m p l i f i e df r a g m e n tl e n g t hp o l y m o r p h i s m ( a f l p ) a n dm t d n a n a d 2i n t r o n g e n e t i cd i v e r s i t ya n dp o p u l a t i o ns t r u c t u r ew e r ed e t e c t e da n dt h ep o s s i b l eg l a c i a l r e f u g i ao fgb o b ai nc h i n aw e r ei n f e r r e d i nc o m b i n a t i o nw i t ht h ee c o l o g i c a l i n v e s t i g a t i o n s ，g e o l o g i c a lh i s t o r y , f o s s i l r e c o r da n dt h ep o l l e n b a s e dv e g e t a t i o n s i m u l a t i o nd u r i n gt h el a s t g l a c i a lm a x i m u m ( l g m ) c o n s e q u e n t l y , c o n s e r v a t i o n s t r a t e g i e sa r ep r o p o s e d t h e r ea l e5m a i nc o n c l u s i o n so f o u rr e s e a r c h ： 1 c p d n ap c r - r f l pa n a l y s i s t w e l v ep o p u l a t i o n sf r o mc h i n aa n ds a m p l e sf r o mj a p a n ，e u r o p ea n dn o r t h a m e r i c a ，a l t o g e t h e r2 2 0i n d i v i d u a l s ，w e r ea n a l y z e du s i n gc p d n at r n k l 一t r n k 2 一i n t e r g e n i cs p a c e rd i g e s t e db yh i n f ia n dm s p l i nt o t a ln i n e t e e nc p d n ah a p l o t y p e s w e r ed e t e c t e da n df o r m e dt w oh a p l o t y p e sd i v e r s i t yc e n t r e si ns wc h i n ao f , w c ，p x s pa n de s ) a n de a s t e r nc h i n a ( 删) h a p l o t y p ed i v e r s i t yo ) i ns wc h i n ar a n g e d f r o m0 7 7 1 4 - 0 8 8 7 5a n dh i g hh a p l o t y p ed i v e r s i t y ( o 8 4 8 5 ) i sa l s of o u n di nt mi n e a s t e r nc h i n a m o l e c u l a rv a r i a t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a t9 4 1 7 v a r i a t i o nw a s d e t e c t e dw i t h i np o p u l a t i o n sw i t hg s t = 0 2 h e n c et h ei n f e r e n c ew a sm a d et h a tt h e p o s s i b l eg l a c i a lr e f u g eo fg ：b i l o b a i sl o c a t e di ns wc h i n a 2 c p d n at r n kg e n ea n dt r n s - t r n gi n t e r g e n i cs e q u e n c e s t h i r t e e np o p u l a t i o n sf r o mc h i n aa n ds a m p l e sf r o mj a p a n ，e u r o p ea n dn o r t h a m e r i c a ( 1 4 5i n d i v i d u a l s ) w e r ea n a l y z e du s i n gc p d n at r n kg e n ea n dt r n s - t r n g l v 浙江大学博士学位论文孑遗植物银杏的分子亲缘地理学研究 i n t e r g e n i cs p a c e r at o t a lo f1 5 8 7b pa n d1 1 v a r i a t i o ns i t e s ( 5a r ep a r s i m o n y i n f o r m a t i v e ) w e r ed e t e c t e d ，w h i c hg a v er i s et oat o t a lo f9c p d n ah a p l o t y p e s n u c l e o t i d ed i v e r s i t ya n dh a p l o t y p ed i v e r s i t ya rep = 0 6 2 1 0 pa n dh = 0 2 8 9 r e s p e c t i v e l y i ns wc h i n a ，5h a p l o t y p e sw e r ef o u n d w i t hp r a n g i n gf r o m0 0 0t o1 7 2 1 旷a n dhf r o m0 0 0t o0 5 6 f o u rh a p l o t y p e s b ，ca n dd ) a r eu n i q u et os w c h i n a i ne a s t e r nc h i n a ，3h a p l o t y p e sw e r ef o u n d ，a m o n gw h i c h2a l eu n i q u e ，p = 0 5 3 1 0 - 3a n dh = 0 4 7 a m o v ar e v e a l e d6 1 9 4 v a r i a t i o ne x i s tw i t h i np o p u l a t i o n s h i g hg e n e t i cd i f f e r e n t i a t i o nw a sd e t e c t e d ( f s t = 0 3 8 0 6 5 ，g s t = 0 2 5 0 3 8 ) a m o n g p o p u l a t i o n s h a p l o t y p ep h y l o g e n e t i ca n a l y s i sa n dn e s t e dc l a d ea n a l y s i sr e v e a l e dt h a t t w op o t e n t i a lr e f u g i ae x i s t e dd u r i n gt h el a s tg l a c i a t i o n ：t h ef h s tw a sl o c a t e di ns w c h i n ao f , w c ，p x ，s pa n de s ) a n dt h es e c o n di ne a s t e r nc h i n a ，e s p e c i a l l ym t t m w a st h ef i r s tt i m et ob ei d e n t i f i e da sar e f u g eb a s e do nm o l e c u l a ra n a l y s i s n e u t r a l i t y t e s ta n dm i s m a t c hd i s t r i b u t i o nn e i t h e rs u p p o r ta n ys i g n i f i c a n tp o s t g l a c i a lp o p u l a t i o n e x p a n s i o n ，b u tt h e r ei ss o m e s h o r td i s t a n c em i g r a t i o nf r o mt h em a r g i n eo ft h er e f u g i a a r e ai ns o u t h w e s t e r nc h i n a t h eo c c u r r e n c eo fh a p l o t y p ee ，w h i c hw a sd e r i v e df r o m t h eo n l yl o c a l l yd i s t r i b u t e dh a p l o t y p eli nt m ，m i g h tb et h er e s u l to far a p i dr a n g e e x p a n s i o nd u r i n g t h el a s t i n t e r g l a c i a lp e r i o d s f r o me a s t e r nc h i n a h u m a n t r a n s p l a n t a t i o nh a sd e f i n i t e l yp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h es p r e a do fg i n k g o 3 a f l pa n a l y s i s at o t a lo f10 6i n d i v i d u a l sf r o m1 3p o p u l a t i o n si nc h i n aa n ds o m ec o u n t r i e si n e u r o p ew e r ei n v e s t i g a t e d s i xp r i m e rc o m b i n a t i o n sp r o d u c e d1 0 9f r a g m e n t s ，a m o n g w h i c h5 0 a r ep o l y m o r p h i c h i g hg e n e t i cd i v e r s i t yw a sd e t e c t e di ne s ( o 1 0 3 ) ，d h ( 0 1 0 0 ) a n dt m ( o 1 0 2 ) l o wg e n e t i cd i v e r s i t yw a sd e t e c t e d i nt h ec u l t i v a t e d p o p u l a t i o n so ft c ( o 0 2 7 ) ，t x ( 0 0 4 3 ) a n dt h es a m p l e sf r o me u r o p e ( 0 0 6 8 ) h i g h g e n e t i cd i f f e r e n t i a t i o n ( 2 8 7 3 ) a m o n gp o p u l a t i o n sw a sd e t e c t e dw i t hf s t = 0 2 9 n e i g h b o r - j o i n i n g ，p r i n c i p a lc o o r d i n a t ea n a l y s i sa n dm i s t u r ea n a l y s i sr e v e a l e dt h r e e m a j o rp h y l o g e o g r a p h i c a lg r o u p s ：s wc h i n a ，o t h e rp o p u l a t i o n si nc h i n aa n de u r o p e a n s a m p l e s t h i sp a t t e r np r o b a b l yr e f l e c t e dt h ei s o l a t i o no fs wc h i n ad u r i n gt h el a s ti c e a g ea n dt h es wp o p u l a t i o n sa n de a s t e r np o p u l a t i o n sh a v ei n d e p e n d e n te v o l u t i o n h i s t o r y f o u ru n i q u ef r a g m e n t sw e r ei d e n t i f i e di ns wp o p u l a t i o n sa n de a s t e r n v a b s t r a c t p o p u l a t i o n s ，r e s p e c t i v e l y t h u s ，t w or e f u g i aa r e a sw e r er e v e a l e d e u r o p e a ns a m p l e s a r eg e n e t i c a l l yd i v e r g e n tf r o mc h i n e s ep o p u l a t i o n s ，i n d i c a t i n gt h e i ri n d i r e c to r i g i n f r o mc h i n a ，b u ti ti sm o r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h ee a s t e r np o p u l a t i o n si nc h i n a a f t e r e x c l u d i n ge u r o p e a ns a m p l e s ，f u r t h e rg r o u p i n ga n a l y s i s s h o w e dt h a t c u l t i v a t e d p o p u l a t i o n s ( a x ，t ca n ds x ) w e r es e p a r a t e di n t ot h r e ed i f f e r e n tg r o u p si n d i c a t i n g t h e yh a v ed i f f e r e n to r i g i n s a f l pp a t t e r n sa l s oi n d i c a t e dh u m a nt r a n s p l a n t a t i o nw a s o fg r e a th e l pf o r t h es p r e a d i n go fg i n k g o 4 m t d n an a d 2i n t r o n c l o n i n gr e s u l t so fn a d 2i n t r o ns h o w e dh i g hv a r i a t i o n sw i t h i ni n d i v i d u a l s w e i n f e r r e d t h a tp c rm i s m a t c ha n dp r o b a b l yt h es e c o n ds t r u c t u r eo fn a d 2i n t r o nw i l l p r o h i b i tt h e a c c r u r a t ep r o c e s so fp c r t h er a n d o md i s t r i b u t i o no ft h e s ev a r i a b l es i t e s c a nn o tb eu s e da si n f o r m a t i v es i t e s ，s on a d 2i n t r o ni sn o tt h es u i t a b l em a r k e rf o rt h e p h y l o g e o r a p h i c as t u d yo fg b i l o b a 5 e v o l u t i o n a r yh i s t o r ya n dc o n s e r v a t i o ns t r a t e g i e s c p d n ah a p l o t y p ed i s t r i b u t i o ns h o w e du st w og l a c i a lr e f u g i ao fg b i l o b ad u r i n g t h el a s ti c ea g e h i g hg e n e t i cd i v e r s i t yw a sf o u n di ns o u t h w e s t e r nc h i n aa n de a s t e r n t mp o p u l a t i o n t h e g e n e t i cs t r u c t u r ed e t e c t e di nt h i ss t u d yi s c r i t i c a lf o rt h e e s t a b l i s h m e n to ft h ec o n s e r v a t i o ns t r a t e g i e s i no r d e rt oc o n s e r v et h eg e n e t i cr e s o u r c e s o fgb i l o b a ，w ep r o p o s et h a tt h em o s td e s i r a b l ep o p u l a t i o n sf o rt h e ns i t u c o n s e r v a t i o na r et h o s ei ns w ( j f ，w c ，p x ，s pa n de s ) a n de a s t e r nc h i n a ( t m ) t h e h i g h e s ti m p o r t a n c es h o u l db ed e v o t e dt ot h ec o n s e r v a t i o no ft h eo l dg i n k g ot r e e si n t h o s ep o p u l a t i o n s b e c a u s eo ft h eh i g hg e n e t i cd i v e r s i t yt h e s ep o p u l a t i o n sa r e d e s i r a b l ef o ra ne xs i t uc o r ec o l l e c t i o n i na d d i t i o nt h ec o l l e c t i o no fg e r m p l a s mf r o m d i f f e r e n tp o p u l a t i o n si sn e c e s s a r yd u r i n ge xs i t uc o n s e r v a t i o ni no r d e rt op r e s e r v et h e h i g hg e n e t i cd i v e r s i t yo fg b i l o b a k e yw o r d s ：g i n k g ob i l o b al ，c p d n a , a f l p p h y l o g e o g r a p h y , p o p u l a t i o ns t r u c t u r e ， c o n s e r v a t i o ns t r a t e g i e s 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，论文中不包含其 他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其它教育 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了谢意。 学位论文作者签名：燕雒 签字日期： 知。7 年7 月侈日 浙江大学博士学位论文孑遗植物银杏的分子亲缘地理学研究 1 1 亲缘地理学 1 1 1 简介 第一章前言 生物地理学( b i o g e o g r a p h y ) 是- - f - j 研究生物物种及较高分类阶元的地理分 布格局及其成因的学科( f u t u y m a ，1 9 9 8 ) ，可分为历史生物地理学( h i s t o r i c a l b i o g e o g r a p h y ) _ ；g l 生态生物地理学( e c o l o g i c a lb i o g e o r a p h y ) ( c o x 和m o o r e ，2 0 0 0 ) 。 亲缘地理学( p h y l o g e o g r a p h y ) 可说是历史生物地理学的一个分支学科。亲缘地 理学的概念是a v i s e 等( 1 9 8 7 ) 提出的一门与物种( 尤指种下水平) 的谱系地理 分布原理和过程有关的新兴学科，主要探讨物种的演化( 亲缘关系) 与地质历史 ( 如冰河、地理隔离时间等) 之间的相关性。将一个物种的遗传变异形式同生态 学和地质历史事件结合起来，从而从时间和空间上对这一物种的历史进行描述， 即为亲缘地理学。这一概念的框架源于早期a i v s e 对动物线粒体d n a ( m i t o c h o n d r i a ld n a ，m t d n a ) 的研究( a v i s e ，1 9 7 9 ) 。在最初的概念中，物种 的个体在群体( p o p u l a t i o n ) 遗传学研究中被看作是一个操作分类单位( o p e r a t i o n t a x o n o m i cu n i t s ，o t u s ) ，在种内水平应用系统发育概念和方法进行研究并解释 线粒体谱系( 1 i n e a g e ) 在地理上的形成机制。 亲缘地理学与传统生物地理学的差异主要在于，后者主要研究高分类阶元 类群的地理分布，所使用的证据包括现今物种的形态特征、传播或迁移方式，以 及化石证据。亲缘地理学则偏重于研究近缘物种或种内群体间的研究，所使用的 实验数据主要是分子数据，因此，一般说的亲缘地理学是分子亲缘地理学 ( m o l e c u l a rp h y l o g e o g r a p h y ) 。亲缘地理学在群体遗传学和系统分类学这两大学 科之间建立了概念性和过程性的联系。为群体遗传学引入了历史非平衡过程观 点，拓展了一个区分历史作用和周期性发生过程的新研究领域，奠定了亲缘地理 学和现代进化生物学的重要基石。因此亲缘地理学的研究被看作是群体遗传( 种 内水平微进化，m i c r o e v o l u t i o n ) 和物种形成( 种和种上水平大进化， 第一章前言 m a c r o e v o l u t i o n ) 之间的桥梁( a v i s e ，1 9 9 8 ，2 0 0 0 ) 。 1 1 2 亲缘地理学研究及相关理论 一个物种所经历的地质历史过程对它的遗传多样性程度、遗传结构等有至 关重要的影响。亲缘地理学就是将现代物种的遗传变异模式与已知的生态学特征 和地质历史过程相比较，从空间和时间的角度对这一物种的群体历史进行描述。 它所涉及的时间仅限于最近的2 百万年，或者新生代第四世，因此同属水平或更 高分类单元的研究相比，亲缘地理学研究所涉及的时间范围较小( h u a n g 等， 2 0 0 4 ) 。在地球历史上，一共出现了三次大规模的冰川作用时期，对现代生物影 响较大的一次是距今3 0 0 万年前的第四纪冰期。第四纪冰期大致有四次冰期，末 次冰期发生在距今1 80 0 0 1 60 0 0 年前。欧洲为武木冰期，北美洲为威斯康星冰 期，我国为大理冰期( 杨怀仁，1 9 8 7 ) 。这次冰期使得欧洲、北美洲和我国北部 的大部分地区都为巨大冰原所覆盖，导致生物的分布区域、面积和种群大小都产 生较大的变化。那些适应北极和阿尔卑斯山地区环境的物种占据冰川南部广阔的 苔原和草原地区；那些适应温带环境的物种则被限制在南部地区的避难所。我国 南部地区受冰川作用较小，成为了许多动植物在第四纪冰期的避难所( w a n g 和 l i u ，1 9 9 4 ) 。生物避难所就是动植物在冰期逃避冰期恶劣气候相对集中的地点， 也是冰期后物种重新分布的起点。冰期时的避难所可以是被隔离的单个群体，也 可以是好几个群体的隔离区域。如果避难所之间没有基因交流，那么避难所将被 隔离。因此，冰期避难所加速了物种不同群体间的分化，为新种或亚种的形成提 供了条件( h o l d e r 等，1 9 9 9 ) 。随着冰川的消退和温度的回升，幸存生物的分布 范围开始扩展并重新分布到一些适宜的栖息地。在高山地区，由于山脉的阻挡， 物种的迁移只能是缓慢的短距离迁移，缓慢的短距离迁移可以更好的保持原有的 遗传多样性；而在平原开阔的地区，物种的迁移速度较快。快速的迁移使远距离 的传播得以实现，但是快速、远距离的迁移会降低多样性并减少物种群体间的基 因型分化，带来“奠基者效应( f o u n d e re f f e c t ) ，只能保留部分祖先群体的遗传 2 浙江大学博士学位论文孑遗植物银杏的分子亲缘地理学研究 多样性；相反的，缓慢的短距离迁移不会遭遇“奠基者效应 ，可以保留大部分 物种的遗传多样性( h e w i t t ，1 9 9 6 ) 。 群体遗传结构受到历史地质过程的影响，同时基因流、遗传漂变、繁育系 统、自然选择也对群体的遗传结构有着重要的影响。亲缘地理学为基因流在群体 遗传结构形成过程中的作用赋予了新的认识，它提供了一个检测历史性的和周期 性基因交流事件的方法。基因流是群体间以及群体内个体的基因信息的传播和交 流，它可以通过花粉、种子以及克隆体的传播得以实现，其程度受到传播方式、 传播机制以及群体间地理距离的影响。基因交流的强度影响群体间的分化程度和 基因型是否匀质化( b r o y l e s 和w y a t t ，1 9 9 3 ；k r a u s s ，1 9 9 4 ) 。长距离的基因流由 种子的散布来完成( h a m r i c k 等，1 9 9 3 ) ，但植物群体间的长距离基因流的概率 较低( m u l l e r ，1 9 7 7 ；s l a t k i n ，1 9 8 7 ) ，因此，地理距离越远的群体，基因交流的 机会越小，遗传分化程度也会越大。利用d n a 序列可进行群体间基因流的分析， 其原理是以群体结构“岛屿模型( w r i g h t ，1 9 5 1 ) 为基础，在二倍体的基因组 中，f s t = 1 ( 1 + 4 n m ) ，单倍体的基因组中风f = 1 ( 1 + 2 n m ) ，其中f s t 为群体 问遗传分化指数( 当f s t 0 0 5 ，群体问没有遗传分化；0 0 5 f s t 0 1 5 ，群体 分化程度中等；0 1 5 1 ，群体间有较强的基因流；n m 1 ，群体间基因流小) ，推测群体间的关系。 基因交流倾向于使两个群体均一化，而遗传漂变则起到相反的作用。在一 个相对孤立的小群体中，任何一个等位基因传播到下一代都是偶然的，等位基因 的频率也是随机波动的，这一作用称为遗传漂变。频率越低的等位基因，由于遗 传漂变的作用，在下一代丢失的可能性也就越高。遗传漂变给这一个相对孤立的 小群体带来的结果是，在经过很多世代以后，群体中的个体都倾向于具有相同的 等位基因。因此，由于遗传漂变的作用，那些片断化了的孤立的小群体最后将各 自拥有各自固定的等位基因，群体内的遗传多样性程度会降低( h e w i t t ，2 0 0 0 ) 。 遗传漂变的另一种形式是奠基者效应，是指由带有亲代群体中部分等位基因的少 数个体在一个新的栖息地建立新的群体，这个群体后代的数量虽然会增加，但由 3 第一章前言 于只保留了少数祖先基因型，又未与其他生物群体交配繁殖，彼此之间基因的差 异性甚小，遗传多样性很低。如果一个群体的个体数量突然急剧减小，由剩下的 少数几个个体，这些少数个体以后扩展形成新的群体，仅保留祖先群体的部分基 因型，这就是瓶颈效应。奠基者效应和瓶颈效应都会降低一个群体的遗传多样性 程度( h e w i t t ，1 9 9 6 ；p e t i t 等，2 0 0 2 ) 。g a m a c h e 等( 2 0 0 3 ) 利用母系遗传的m t d n a 和双亲遗传的n r d n a 标记对加拿大魁北克西北部的黑云杉( p i c e am a r i a n a ) 进 行了群体遗传分析，发现n r d n a 和m t d n a 分析结果并不一致。利用n r d n a 检 测到的群体问的遗传分化很小，最北边的群体依然保留稀有等位基因。而m t d n a 却检测到了群体问和群体内高度的遗传分化，每一个亚北极区的群体都只保留一 种单倍型类型。因此，他们认为，这些遗传变异的丢失表明了种子长距离迁移、 重建而导致的奠基者效应。k e b e d e 等( 2 0 0 7 ) 利用a f l p 进行了埃塞俄比亚和 热带东非山区的半边莲属植物( l o b e l i ag i b e r r o a ) 的亲缘地理学分析，发现埃塞 俄比亚山区群体的遗传多样性水平低于南部群体，这是由于冰期后少数群体的迁 移造成的奠基者效应使得后代群体的遗传多样性水平不高。j a r a m i l l o c o r r e a 等 ( 2 0 0 6 ) 在利用m t d n a 和c p d n a 对墨西哥西北部地区濒危一种云杉( p i c e a c h i h u a h u a n am a r t i n e z ) 进行群体遗传学研