基于形态性状的赖草属种群表型分支分析

基于形态性状的赖草属种群表型分支分析

赖草是水稻科的一个重要多年生部落，为多倍体（4-12倍体）。全世界有赖草属大约50个种和亚种,广泛分布于欧亚大陆和北美,南美也有少量分布。中国有24个种,主要分布于西北、华北、东北及西南地区。该属大多数植物具有较强的耐寒、耐旱、耐碱,以及抗病、抗虫、抗风沙的能力,且是优良的牧草。随着麦类作物和牧草育种、植被恢复和生态建设的深入开展,对优异植物种质资源的需求极为迫切,对赖草属进行系统的研究具有重要的意义。赖草属植物的不同分类群分别生长在北极寒温带到南亚热带,从沙漠、石质岩坡、草原、开阔草甸到荫被林下,由于广泛的生态适应性,赖草属植物的形态特征变化复杂。例如Leymuscoreanus(Honda)K.B.JensenandR.R.-C.Wang、Leymusduthiei(Stapf)Y.H.ZhouetH.Q.Zhang和Leymusduthieivar.longearistatus(Hack)Y.H.ZhouetH.Q.Zhang,它们曾被归为猬草属(HystrixMoench)中,这3个赖草属植物生长在地下水分充足的林下,生态适应的不同造成与其他赖草属植物的形态趋异,而一度被排除在赖草属外。另外,赖草属的新物种不断有报道,这些新的物种主要来自于西西伯利亚和中国。因此,赖草属的分类和系统学地位仍存在很大的争议。赖草属属下分类系统的划分同样有很大的争议,有学者在属下划分组和系;而有些学者仅主张划分组;还有的学者则否定组、系的成立,在属内仅承认种或种以下等级的类群。关于组的具体划分存在较大分歧,表1中列出主要的学者对赖草属物种组的划分情况。根据颖形状、颖脉数、外稃先端、外稃背部、每穗轴节小穗数、叶背特征、生活习性等特征,Tzvelev和Löve将赖草属划分为sect.Leymus、sect.Anisopyrum、sect.Aphanoneuron和sect.Malacuru4个组;Barkworth&Atkins认为北美的赖草属植物用Tzvelev的分组形态特征不能区分sect.Anisopyrum和sect.Aphanoneuron,从而将上述2组植物组合为sect.Anisopyrum;智丽和蔡联炳将中国赖草属植物划分成3个组:多穗组Set.Racemosus,少穗组Set.Leymus.和单穗组sect.Anisopyrum。颜济和杨俊良根据赖草属的生态习性将之划分为沙生生态组sect.Arenicolus、草原-草甸生态组sect.Pratensus和林下生态组sect.Sylvicolus。分支系统学是由Henning创立,它以近裔共性为基本原则进行生物的系统分析。随着分支系统学理论的相对成熟与完善,尤其是近10年来相应计算机分析软件(如WinClada、MacClade和PAUP等)的快速发展和更新,用分支分析的方法不但使分类群系统发育的重建更为准确可信,而且通过分析各性状状态对系统重建的贡献及其在分类群间的变化,可以更好地解释重建的系统发育图谱。本研究选择了传统上认为赖草属组间及种间具有较大分类价值的形态性状(如:颖、外稃、每节着生小穗数等重要形态特征),通过分支分析来构建分支系统树。以此,通过对形态性状状态的分布和变化的分析为赖草属的形态演变和分化式样研究提供形态学依据。1材料和方法1.1植物及微生物群落按照《中国植物志》第22卷(英文版)(2006)和蔡联炳对赖草属植物的分类修订,选取34个赖草属植物(包括32个种、1个亚种和1个变种)为研究对象,并以种为终端群。外类群选用HordeumbogdaniiWilensky。用于形态学观察的赖草属标本来源于四川农业大学小研究所标本室(SAUTI)和中国科学院西北高原所植物标本室(HNWP)。各分类群标本的产地、采集号和采集人列于表2。1.2性状编码及数量性状的选择以选取尽可能多的相对稳定的性状状态和有明显间断性变异的数量性状为原则。性状状态主要根据野外观察以及对标本和文献的广泛比较和研究来确定。用于分支分类的性状及状态编码见表3。所有的性状均为无序、等权。在多态性状中,任何2个性状状态间的距离相等,如0至1之间和0至2之间的距离均为1。代表性状状态的数字没有进化意义,即0并不比1原始。不详或未知的状态用“?”表示,不存在的性状则用“-”表示(表4)。1.3系统发育树知识搜索数据矩阵的分支分析使用软件PAUPver.4.0b10,分析采用最大简约法(Maximumparsimony,MP),启发式(Heuristic)搜索,数据随机添加(addseq=random),重复次数(nreps)为100,树等分与重连分之交换法(TBR)获取系统树。系统发育树拓扑结构的可靠性用1000次重复抽样(replicates)的自展分析(bootstrap,BS)来检验。系统发育信息量由一致性指数(CI),保持性指数(RI)构建显示。2配合性植物的生长通过对基于形态的数据矩阵进行简约性分析,得到70颗同等简约的分支树。这些树的树长均为70步,一致性指数CI=0.4703,保持性指数RI=0.6423。得到的简约树的一致性指数和自展支持率较低,表明所选择的形态性状中非同源性性状较多,这会在一定程度上影响系统发育重建的可靠性和准确性。基于70颗同等简约树的严格一致树如图1(未显示自展支持率)所示。17个来自于欧亚大陆且外稃背部有毛、外稃先端有芒、颖呈线形披针形到披针形的赖草属植物形成一支,它们是L.flexus、L.secalinus、L.pendulus、L.arenarius、L.racemosus、L.mollis、L.karelinii、L.leptostachys、L.angustus、L.tianschanicus、L.ovatus、L.pseudoracemosus、L.qinghaicus、L.shanxiensis、L.yiwuensis和L.crassiusculus。颖退化或颖的形状为锥形、外稃无毛、外稃先端有芒和每穗轴节着生1～2(3)枚小穗的赖草属植物L.duthieivar.longearistatus、L.duthiei、L.erianthus、L.salinus和L.multicaulis形成另一支。3讨论3.1丘、沙地草原蔡联炳和张梅妞对15个中国产赖草属植物的叶表皮进行观察指出L.flexus、L.secalinus和L.paboanus为同一类群植物,其叶片下表皮长细胞通常较长,无新月形短细胞,仅具马鞍形短细胞,表皮具刺毛,脉带明显窄于脉间带。在外部形态特征上,这3种植物都具根状茎、秆常具3～5节、小穗通常2～3枚生于穗轴1节、含3～7朵小花、外稃背部被毛、外稃先端具芒、内稃先端尖或2裂,本研究基于形态特征的分支系统发育树中,这三者的关系为姐妹群关系,结合以上分析,推测L.flexus、L.secalinus和L.paboanus的亲缘关系较近。基于荧光原位杂交(Flurorescencein-situhybridization,FISH)研究,Anamthawat-Jónsson&Bödvarsdóttir认为L.arenarius和L.racemosus的关系紧密。L.arenarius和L.racemosus主要分布于欧洲和中亚,生长在河边沙地、沙丘、沙地草原与荒漠中,具有强大的根茎、茎秆粗壮、穗坚韧直立、穗轴节上着生2～6枚小穗,在分支系统发育树中为姐妹群关系,本研究结果支持两者具有紧密的亲缘关系,这与基于ITS序列的分子系统树的研究结果是一致的。6个来自青藏高原的L.ovatus、L.pseudoracemosus、L.qinghaicus、L.shanxiensis、L.yiwuensis和L.crassiusculus在分支系统发育树中形成一支,与其他欧亚大陆分布的赖草属植物的形态相比,它们之间具有更多同源性性状,叶鞘表面无毛、穗轴被毛、小穗轴被毛和颖的长度短于小穗长度,推测它们具有较近的种间关系。在分支系统发育树上,北美的L.innovatus、L.cinereus、L.condensatus(可能是引种到比利时)、L.ambiguus和L.triticoides形成一个分支梯度,其颖呈锥形、外稃背部无毛、外稃先端无芒或具短芒、叶鞘表面无毛、小穗具(2)3～7朵小花和颖的长度短于小穗长度,表现出与欧亚大陆赖草属植物的不同。根据形态学特征,L.duthiei、L.duthieivar.longearistatus和L.coreanus以前被描述为猬草属的类群Hy.coreana、Hy.duthiei和Hy.duthieivar.longearistata。然而,基于细胞学和分子生物学的数据表明这3个猬草属的类群具有与赖草属植物一样的基因组组成NsXm,而被归入赖草属中[22,24,25,26,27,28,29]。这3种植物是对地下水充分的林下环境进行适应而演化出来的,其植株具疏丛、无根茎和叶广披针形。在本研究的分支系统发育树中,L.duthiei、L.duthieivar.longearistatus、L.coreanus与L.erianthus、L.salinus和L.multicaulis为姐妹群关系,具有较多的同源性性状。虽然,L.duthiei的颖退化,但是,L.duthieivar.longearistatus(常退化)和L.coreanus的颖呈锥形,与L.erianthus、L.salinus和L.multicaulis颖的形状一样,另外,L.salinus的第一颖也经常退化。此外,它们穗轴节都着生1～2(-3)个小穗,颖的长度短于小穗长度,颖的脉数为1(-3)。这些相似的形态特征都暗示了L.duthiei、L.duthieivar.longearistatus和L.coreanus与赖草属植物在形态上具有连续性,适合将其归入赖草属中。通过表型分支分析,发现赖草属并没有被区分成3个组或者两个组,而是在系统发育树上呈现很多分支,显示了赖草属在形态上为高水平的分化,在组间及种间均存在着广泛的变异,这可能有以下几种原因:第一,赖草属物种分布广泛、能适应多种生态类型,如沙漠、石质岩坡,草原、开阔草甸、荫被林;第二,赖草属植物Ns基因组的供体属新麦草属种间形态差异大;第三,赖草属植物Xm基因组的来源不清楚,它可能对赖草属形态上的遗传变异产生了更大的影响。3.2赖草属种间形态性状的个体间的差异及进化关系本研究的矩阵包含了赖草属植物分类的重要形态性状。尽管如此,一些性状在组间或种间的一致性很低,使整个矩阵表现出高的同塑性,表明性状状态间存在着较多的平行和逆转进化,这在一定程度上影响了系统发育重建的可靠性和准确性。主要表现在以下3个方面:一是在赖草属种内,叶片的被毛情况、叶鞘表面的被毛情况、穗轴节的小穗数、颖的脉数、秆的节数等很容易受环境的影响而在个体间出现差异;二是穗长度、颖的长度、内稃的长度、花药的长度等形态性状在种内个体间也存在差异;三是在种间不稳定的性状较多,如叶片、穗轴、小穗轴、颖、外稃、内稃的被毛情况、颖和外稃的形状、颖和外稃的先端、穗的长度等等,这些性状可能是组下分种的重要