植物生态

基于SSR分子标记的5个黄花补血草居群花型变异及其遗传效应

  • 张晶 ,
  • 何爽 ,
  • 张爱勤
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  • 新疆大学生命科学与技术学院,新疆生物资源与基因工程重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830017
张爱勤. E-mail:

张晶(1996-),女,硕士研究生,主要从事植物繁殖生态学研究. E-mail:

收稿日期: 2024-01-09

  修回日期: 2024-06-09

  网络出版日期: 2025-08-13

基金资助

国家自然科学基金项目(32360308)

自治区教育厅项目(XJEDU2021I006)

Floral morph variation and genetic effect of five Limonium aureum populations based on Simple Sequence Repeat molecular markers

  • ZHANG Jing ,
  • HE Shuang ,
  • ZHANG Aiqin
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  • Key Laboratory of Biological Resources and Genetic Engineering, College of Life Science and Technology, Xinjiang University, Urumqi 830017, Xinjiang, China

Received date: 2024-01-09

  Revised date: 2024-06-09

  Online published: 2025-08-13

摘要

异型花柱植物居群的花型构成与频率是历代交配事件的结果。“同型花柱”是异型花柱变异和演化中频繁出现的一个的花型,常伴随着异型不亲和系统的瓦解和居群遗传多样性的下降。以分布于塔里木盆地南缘,具有类似于“同型花柱”型花(H型)广泛分布的5个黄花补血草(Limonium aureum)居群为研究对象,来探究H型花的形成及对居群产生的影响。通过野外观测及人工控制授粉实验,对居群花型构成和异型花柱综合征进行调查,同时通过SSR分子标记对居群的遗传多样性和遗传结构进行研究。结果表明:(1) ATS居群仅由H型花构成,其余均为长、短花柱和H型花共存的居群,各居群均具有中等程度的遗传多样性水平、花粉柱头形态的二型性和严格的异型不亲和系统,表现为柱头/花粉形态具有异型性的花型间亲和,反之不亲和。(2) 遗传结构、主坐标分析及系统发育分析均显示ATS居群在进化上独立于其余4个居群,5个居群被分为两类,且遗传距离和地理距离呈显著相关性。(3) 两类居群中的H型花可能处于异型花柱演化的不同阶段,其严格的自交不亲和性维持了各居群的遗传多样性水平。

本文引用格式

张晶 , 何爽 , 张爱勤 . 基于SSR分子标记的5个黄花补血草居群花型变异及其遗传效应[J]. 干旱区研究, 2025 , 42(3) : 499 -510 . DOI: 10.13866/j.azr.2025.03.10

Abstract

In heterostylous plants, the floral morph composition and frequency of populations are a consequence of mating events over generations. “Homostyly” with anthers and stigmas at the same level within a flower is a floral morph that frequently appears in the evolution of heterostyly and is often accompanied by breakdown of the heteromorphic incompatibility system and the decline of genetic diversity. To explore the formation of the H-morph and its effects on the population, we studied five Limonium aureum populations exhibiting a widely distributed floral morph (H-morph), similar to “homostyly,” in the southern margin of Tarim Basin. The floral morph composition and heterostylous syndrome were investigated by field observations and hand pollination experiments. Meanwhile, the genetic diversity and genetic structure were studied using SSR molecular markers. The results showed the following: (1) The Atushi (ATS) population consisted only of the H-morph, while the remaining four populations were composed of the long- and short-styled morph, and H-morph. All populations had a moderate level of genetic diversity, dimorphism of stigma-pollen morphology, and a strict heteromorphic incompatibility system, revealing that the floral morphs with different pollen ornamentation and stigma papilla cell morphology were compatible. (2) Genetic structure analysis, principal coordinate analysis, and phylogenetic analysis showed that the ATS population had emerged earlier and was independent of the other four populations phylogenetically, with a significant correlation between genetic distance and geographic distance. (3) The H-morphs of the two types of populations may be at different stages of the evolution of heterostyly. The self-incompatibility of the H-morph and the heteromorphic incompatibility system of the population maintained the population’s genetic diversity.

交配系统是生物有机体通过有性繁殖将基因从一代传递到下一代的模式,包括控制配子结合以形成合子的所有属性[1]。在植物生活史特征中,交配格局及其遗传效应可能是对宏观进化影响最大的因素[2]。物种自交和异交的相对频率既影响种群内的遗传多样性,也影响种群间的遗传分化[3]。如以自交为主的种,居群间的遗传变异通常要高于居群内,而以异交为主的种,居群内的遗传变异通常高于居群间[3]。自交会使物种的遗传多样性降低,并造成后代适合度的下降,这一现象在以异交为主的物种中因为近交衰退的选择压力尤为突出[4]。除此之外,居群大小对物种的遗传多样性也产生重要影响,较大的居群倾向于有较高的遗传多样性,而较小的居群因为遗传漂变、奠基者效应及有害突变基因的积累更容易导致居群遗传多样性的下降或丢失[5-6],因此,在自交不亲和的小种群中,居群遗传多样性更容易下降或丢失[7]。物种的遗传多样性是长期进化的产物,是适应环境变化的前提。大量研究结果表明,生物居群中遗传变异的大小与其进化速率成正比。进行物种遗传多样性的研究,有助于了解物种遗传多样性的维持情况,揭示物种或种群的进化历史,预测种群的发展趋势[8]
异型花柱(heterostyly)是受遗传控制的花柱多态现象,至少分布在被子植物的28个科中,是在同一居群中有两种(二型花柱)(distyly)或三种(三型花柱)(tristyly)花型/交配型[9-10]。受非选型交配和负频率依赖的选择,在足够大的居群中应维持等比的花型频率[11],但是由于居群中交配型数量有限、对传粉者有较高的选择性[12]、环境因素[13]等选择力的影响,以及奠基者效应[14]、遗传漂变[15]、地质事件[16]等各种随机因素的影响。异型花柱植物又表现出高度的不稳定性和易变性[17-18],出现花型偏离、交互式雌雄异位丢失和异型不亲和系统瓦解等形态特征和生理上不亲和性的转变[19],使得异型花柱的居群呈现单态、偏态或多态等共存的现象[20-21],并伴随着植物异交率及居群遗传多样性的下降[22]
“同型花柱”(homostyly)是异型花柱瓦解或演化过程中最常见的一个花型,在报春花属(Primula)等已有报道中多是作为一种繁殖保障对策,伴随着交互性雌雄异位的丢失和异型不亲和系统瓦解所形成的一个衍生花型[19,23],是植物由异交向自交、由长/短花柱向“同型花柱”演变的一个经典例子,具有高的自交率、花形态及雌雄蕊空间分离变小等一系列“自交综合征”[24-25]。如Belaoussoff和Shore[26]对不同雌雄异位程度的时钟花(Turnera ulmifolia)居群进行研究发现,花内不断增加的雌雄异位程度与异交率紧密相关,异交率的变化范围在0%~69%。Zhong等[22]对报春花属10个种的25个二型花柱居群和15个“同型花柱”居群的交配模式和遗传多样性进行研究发现,自交亲和的“同型花柱”居群相对于非选型交配的二型花柱居群自交率上升、遗传多样性下降。这一现象在异型花柱向“同型花柱”转变中非常普遍[23]
黄花补血草(Limonium aureum)是白花丹科补血草属的一种多年生草本植物,前期对分布在中国西北地区塔里木盆地南缘和西南缘的5个自然居群进行调查发现,雌雄蕊等长或近等长的同长花柱型花广泛分布在各居群中,形成两种类型的居群,一类是由雌雄蕊同长或近同长的花型(H型)构成的一个居群,类似于传统意义上的“同型花柱”居群;另一类是由长、短(L、S型)花柱型花和同长花柱型花(H型)共存的居群。这些居群有怎样的花柱多态现象和异型不亲和系统?雌雄蕊同长的H型花的出现是否会引起居群遗传多样性的下降?与L和S型花有着怎样的亲和性关系?对居群产生怎样的遗传效应?都是一个值得探讨的问题。为此,对不同分布区的5个黄花补血草居群,进行花型构成及频率、花型间亲和性关系和花粉柱头形态异型性的研究;同时,通过SSR分子标记进行居群遗传多样性及遗传结构的研究;以此探讨同长花柱的出现是否伴随着异型不亲和系统的转变,以及由此产生的遗传学效应。

1 材料与方法

1.1 研究材料与地点

黄花补血草(Limonium aureum)是一种多年生草本植物,高40~60 cm,叶基生。花序位于分枝中上部及顶端,每花序3~7朵花,花萼宿存,1室1胚珠,蒴果呈倒卵状,花果期为每年的5—7月。主要分布在地中海沿岸的利比亚[27]、俄罗斯、蒙古,以及中国的内蒙古、甘肃、新疆、青海等地,在新疆仅分布在塔里木盆地的南缘和西南侧的边缘地带。所调查的5个居群分别位于新疆塔里木盆地西南缘的阿图什(ATS)、南缘的乌鲁克萨依乡(WLKSY)、于田县(YT)、民丰县(MF)和努尔乡(NE),及外类群喀什补血草(Limonium kaschgaricum)居群的分布区库车市(KC),以上居群在后面图表和描述中均以拼音首字母缩写表示。

1.2 研究方法

1.2.1 居群花型构成与频率的调查

于盛花期,依据居群大小划定一定数量的样方,逐一对样方内的植株数量和花型进行统计,分析居群的花型构成与频率。统计中,参照Barrett[19]对异型花柱各花型的定义,将雌蕊显著高于雄蕊的花定义为长花柱型花(Long-styled morph),简称L型花(L-morph),所在植株为L型植株;将雄蕊显著高于雌蕊的花定义为短花柱型花(Short-styled morph),简称S型花(S-morph),所在植株为S型植株;将雌雄蕊能够接触,在高度上相等或近相等的花定义为同长花柱型花,简称H型花(H-morph)。由于在居群中长短花柱具有不同的花粉纹饰和柱头乳突细胞形态,H型花的花粉纹饰和柱头乳突细胞形态与L或S型花一致,所以,H型花中,将柱头乳突细胞形态和花粉纹饰与L型花一致的花称为HL型花,所在植株为HL型植株;与S型花一致的花称为HS型花,所在植株为HS型植株。在统计中,对H型花通过花粉柱头形态的显微观测进行HL与HS型花的判断。

1.2.2 异型不亲和系统的检测

因WLKSY、NE、YT、MF有着相同的花型构成,不同于ATS居群,为此,选择ATS和WLKSY两个居群进行异型不亲和系统的检测。于盛花期,在L、S和H(包括HL,HS)型花共存的WLKSY居群内,随机选定L、S和H型各30株(在WLKSY居群中,选取HS或HL都可以,这里选取HS型花,HL型花的亲和性关系可依次类推),每株随机标记6朵开放但没散粉的花;在仅有H(包括HL,HS)型花的ATS居群内,随机选定HL、HS型各30株。每株随机标记5朵开放但没散粉的花进行以下处理:(1) 型内授粉:去雄,人工授同型花粉(WLKSY:L×L,S×S,HS×HS;ATS:HL×HL、HS×HS)。(2) “型间授粉”:去雄,人工授不同花型的花粉(WLKSY:L×S,L×Hs,S×L,S×Hs,Hs×L,Hs×S;ATS:HL×HS、HS×HL)。(3) 人工自花授粉:人工辅助授自花粉,套袋。(4) 无融合生殖:去雄套袋。(5) 对照:标记同期开放的花,不做任何处理。待果实成熟后统计以上处理的结实率。

1.2.3 样品采集及DNA提取

于盛花期,分别采集黄花补血草不同居群以及外类群KC居群新鲜幼嫩的叶片,以株为单位(个体间距不低于10 m)进行取样。各居群的样本数在19~30份,共计140份,分别装入带有硅胶的自封袋中进行干燥保存。采用改良的CTAB法提取样本的DNA,用0.8%的琼脂糖凝胶电泳检测DNA的提取质量。使用超微量紫外分光光度计检测DNA浓度,保证OD260/OD280值≥1.8,DNA浓度≥20 ng·μL-1,最后保存于-20 ℃冰箱备用。

1.2.4 SSR引物筛选及PCR扩增

根据已经发表的补血草属植物系统发育的文献资料[28-30],选取具有较高多态性的SSR引物56对,由北京擎科生物有限公司合成进行后续引物的筛选。SSR扩增体系和反应程序具体如下:PCR反应选用20 μL体系,包括1 μL DNA模板,7 μL ddH2O,10 μL Premix,上下游引物各1 μL。PCR扩增程序为:94 ℃预变性10 min,94 ℃变性45 s,53 ℃退火1 min,72 ℃延伸45 s,30个循环周期,72 ℃延伸10 min,4 ℃保存。对有扩增产物的45对引物的反向序列加荧光标记,使用荧光引物扩增DNA样本,并送至公司进行毛细管电泳基因分型,筛选出多态性良好的引物进行群体扩增。
对6个居群共计140个叶片样本进行总DNA提取,利用筛选出的具多态性的荧光引物各自确定的退火温度对DNA样品进行PCR扩增。使用琼脂糖电泳初步检测是否扩增出目的片段,随后将具有目的片段的扩增产物进行毛细管凝胶电泳(由公司完成),后用GeneMarker 2.2.0软件对PCR产物荧光信号检测结果进行峰图分析及等位基因的读取。

1.3 数据分析

用Excel 2016、SPSS 26.0软件进行数据的处理和分析。对居群中两种柱头形态的植株数量进行卡方检验。用广义线性模型(Generalized Linear Model,GLM)下的二项分布和Logit链接函数比较不同授粉处理下的结实率。
采用GenALEx 6.502软件计算各居群的遗传参数,进行分子方差分析(Analysis of Molecular Variance,AMOVA),居群间的主坐标分析(Principal Coordinates Analysis,PCoA),以及Nei’s无偏遗传距离矩阵和地理距离矩阵间的Mantel检验。使用PowerMarker V3.25计算各引物多态性信息含量(PIC)和系统发育树的构建。使用Structure 2.3.4软件对所有样本进行基因型的群体结构分析,K值设置为2~6,每次K值运行10次,将不作数迭代(Length of burn-in period)开始时的MCMC和不作数迭代后的MCMC均设置100000次迭代。

2 结果与分析

2.1 各居群花型构成与频率

对黄花补血草5个居群的花型构成及其频率进行调查显示,ATS居群仅由雌雄蕊在同一高度或近等高的H型花构成(图1e,包括HL和HS型花);其余4个居群由L、S和H型花构成(图1c图1d图1e)。在各居群的花型构成与频率中,WLKSY、YT、MF、NE 4个居群均以H型花占优势,其比例分别为46.46%、58.06%、47.30%和47.38%,而S型花占比偏低。通过对各花型的花粉-柱头形态进行显微观察,发现L和HL型花为粗网纹的花粉和玉米粒状的柱头形态(图1f);S和HS型花为细网纹的花粉和乳突状的柱头形态(图1g)。且在各居群中,具粗网纹花粉和玉米粒状柱头形态的花型(L+HL)与细网纹花粉和乳突状柱头形态的花型(S+HS)等比。在ATS居群中,仅有HL和HS型花,也等比。
图1 黄花补血草植株、花型、花粉及柱头形态

注:(a)为直立型开花植株;(b)为匍匐型开花植株;(c)为L型花;(d)为S型花;(e)为H型花;(f)为L和HL型柱头和花粉形态;(g)为S和HS型花粉柱头形态。

Fig. 1 Fowering plant, floral morph, pollen and stigma morphlogy of Limonium aureum

2.2 异型不亲和系统的检测

控制授粉实验表明(图2),WLKSY居群型内、自交均不亲和,也不具有无融合生殖现象,表现为去雄套袋不结实;L型、S型和HS型花的人工自花授粉结实率均为0;型内授粉L×L、S×S和HS×HS结实率均比较低[(3.33±3.33)%、0%和(3.33±3.33)%],且无显著差异(Wald χ2=2.069,P=0.355);“型间授粉”时,L×Hs、Hs×L、L×S和S×L的结实率分别为[(40.00±9.10)%、(43.34±9.20)%、(43.34±9.20)%和(56.67±9.20)%],无显著差异,均具亲和性(Wald χ2=3.186,P=0.203)。而S×HS和Hs×S的结实率均为0。自然对照L、S和HS型花的结实率[(43.33±9.20)%、(53.33±9.26)%和(56.67±9.20)%]之间无显著差异(Wald χ2=1.176,P=0.556),均与具有亲和性的花型间的结实率无差异(Wald χ2=3.776,P=0.707)。上述所有处理的结实率不受亲本花型及花型与处理交互作用的影响(Wald χ2=0.000,P=1.000;Wald χ2=5.383,P=0.496),而受处理的影响(Wald χ2=11.004,P=0.012)。
图2 黄花补血草WLKSY和ATS居群控制授粉下的结实率

注:×表示花型内/间的交配。

Fig. 2 The fruit sets under different pollination treatments in WLKSY and ATS populations of L. aureum

在ATS居群,也表现出自交和型内授粉均不亲和,无孤雌生殖现象;HL和HS人工自花授粉的结实率分别为(3.33±3.33)%和(6.67±4.63)%(Wald χ2=0.353,P=0.552);型内授粉HL×HL和HS×HS结实率分别为(6.67±4.63)%和(3.33±3.33)%(Wald χ2=0.353,P=0.552),以上两种处理间没有显著差异(P=1.000);型间授粉,HL×HS和HS×HL结实率分别为(46.67±9.26)%和(43.33±9.20)%(Wald χ2=0.067,P=0.795),显著高于型内(P=0.000)和自花授粉(P=0.000),与自然状态的结实率无差异(P=0.852);其中,自然对照HL和HS型花的结实率分别为(40.00±9.10)%和(46.67±9.26)%(Wald χ2=0.273,P=0.602)。上述所有不同处理的结实率不受花型(Wald χ2=0.005,P=0.943)及花型与处理交互作用的影响(Wald χ2=0.985,P=0.805);但受处理的影响(Wald χ2=33.325,P=0.000)。
综上所述,两个居群均具严格的异型不亲和系统,表现为花粉/柱头形态具异型性的花型间亲和,反之不亲和;花型间交互式雌雄异位不再是花型间亲和性关系的必要条件。

2.3 SSR引物信息及位点多态性

12对在相应位点具有较好多态性的SSR引物被选出(表1),对黄花补血草和喀什补血草的所有样品进行扩增。去掉1对仅对喀什补血草具有较好多态性的引物,使用剩余的11对引物对黄花补血草样品进行扩增,得到各参数的均值(范围)分别为(表 2),观测杂合度(Ho)为0.322(0.125~0.672);期望杂合度(He)为0.381(0.145~0.573);香农信息指数(I)为0.675(0.257~1.168);近交系数(Fis)为0.166(-0.213~0.403),其中Ld081和Ln141两个点为负值,说明杂合子过剩,其余9个位点的杂合子不足;引物多态信息含量(PIC)为0.485(0.255~0.748),根据Botstein等[31]PIC衡量指标(低:PIC<0.25;中:0.5>PIC>0.25;高:PIC>0.5),11对引物中有5对具有高度多态性,6对具有中度多态性。表明本研究选用的11对引物具有较高的多态性,可以用于黄花补血草遗传多样性分析。
表1 12对具有多态性的SSR引物信息

Tab. 1 12 pairs of SSR primers’ information with polymorphism

引物名称 上游引物序列(5′→3′) 下游引物序列(5′→3′) 等位基因大小/bp 退火温度/℃
LB6 AGAATCTGAGTGGCTGTT GGCTTAGGGTTTGTGA 285~290 52
LB12 CAACTGTGAAAGACGGAAAG CACGGCAATGGAGGAT 212~285 58
LB26 AGAGGGTGCCTGGAAA AGGGTTGATGGCTTGG 134~140 53
LB30 GTGATAATGCCTGGAGA GAGGATGTTGGTTTCG 154~180 53
LB64 CAACTGTGAAAGACGGAAAG CACGGCAATGGAGGAT 212~284 58
Ld081 AACCGACGATCCTCTCTTCTC AGGATTCGCCGGTCTTGT 144~150 65
Ld445 TCTCTCTCAAGCACCAGCAG CAGACCGAAGTCAATGAGCA 196~231 60
Ln39 TGAGCCAATTAGGGCCGCTACCGAG TCAAGACCCAATGGCTCTGCAGCAACAAAA 151 65
Ln149 GAGTGGAAATTAACCGACGGA CTCCATCCCATCATTATTGTACTCATTGTG 90 55
Ln141 AATTCGATTGCTGCCGAACTG AATTCATGGACAAGAAGAAGAAGAAGAAGA 189 65
Ln146 CCCGTTCTTCTCTTCCTCCCTTTG CCATGGATAGATCCCCGCAATTAGCC 196 62
Ln152 CAGCACTTTCTATACTAAAACATCGTCGCC AATTCGCTGGTGAGCCAACCCTATT 370 65
表2 11对SSR引物的遗传信息

Tab. 2 Genetic informations of 11 pairs of SSR primers

引物名称 Na Ne I Ho He F Fis Fst Nm PIC
LB12 5.600 2.379 1.168 0.406 0.573 0.307 0.291 0.164 1.272 0.634
LB26 2.200 1.234 0.333 0.125 0.184 0.194 0.318 0.489 0.262 0.270
LB30 2.400 1.674 0.593 0.217 0.363 0.437 0.403 0.445 0.312 0.560
LB6 3.600 1.791 0.719 0.274 0.377 0.308 0.275 0.083 2.771 0.394
LB64 3.600 1.816 0.737 0.330 0.408 0.158 0.190 0.281 0.640 0.470
Ld081 2.800 2.314 0.827 0.533 0.472 -0.106 -0.129 0.375 0.417 0.713
Ld445 2.800 2.322 0.880 0.417 0.536 0.229 0.223 0.318 0.536 0.748
Ln141 3.000 2.392 0.919 0.672 0.554 -0.209 -0.213 0.162 1.296 0.590
Ln146 2.200 1.683 0.610 0.257 0.392 0.411 0.345 0.249 0.755 0.400
Ln152 1.800 1.318 0.257 0.129 0.145 0.251 0.113 0.602 0.166 0.300
Ln39 2.400 1.673 0.379 0.187 0.188 -0.020 0.005 0.344 0.477 0.255
Mean 2.945 1.872 0.675 0.322 0.381 0.178 0.166 0.319 0.809 0.485

注:Na为观测等位基因数;Ne为有效等位基因数;I为香农信息指数;Ho为观测杂合度;He为期望杂合度;F为固定指数;Fis为近交系数;Fst为居群间分化系数;Nm为基因流;PIC为多态信息含量。下同

2.4 居群遗传多样性

对5个黄花补血草居群进行遗传多样性分析,各参数的均值(范围)Na为2.945(2.273~3.636)(表3),其中,WLKSY居群最高,MF居群最低;Ne为1.872(1.581~2.154),其中NE最高,MF最低。I为0.675(0.514~0.834),表现为WLKSY最高,MF最低;Ho为0.322(0.232~0.410),NE和WLKSY最高,MF最低;He为0.381(0.304~0.455),其中WLKSY居群最高,MF居群最低;F为0.178(0.050~0.293),表现为ATS最高,NE最低。相对于其他居群,NE居群的固定指数(F)为0.050,接近于随机交配。综合评价,WLKSY的遗传多样性最高,MF遗传多样性最低,ATS居群处于中间位置。
表3 黄花补血草各居群的遗传信息

Tab. 3 Genetic informations of L. aureum populations

居群 Na Ne I Ho He F
ATS 2.636 1.833 0.619 0.290 0.360 0.293
MF 2.273 1.581 0.514 0.232 0.304 0.203
NE 3.182 2.154 0.775 0.410 0.439 0.050
WLKSY 3.636 2.105 0.834 0.410 0.455 0.137
YT 3.000 1.688 0.630 0.269 0.346 0.211
Mean 2.945 1.872 0.675 0.322 0.381 0.178

注:ATS为阿图什;MF为民丰县;NE为努尔乡;WLKSY为乌鲁克萨依乡;YT为于田县。下同。

2.5 居群遗传分化

从引物遗传信息结果看(表2),基于各引物的居群间遗传分化系数(Fst)的均值为0.319(0.083~0.602),即发生在居群间的遗传变异为31.9%,表明黄花补血草居群的遗传变异主要来源于居群内(68.1%)。基因流(Nm)的均值为0.809(0.166~2.771),表明居群间存在一定程度的基因交流,但不频繁。AMOVA方差分析结果表明(表4),12%遗传变异存在于居群间,88%存在于居群内。与居群间遗传分化系数(Fst)的结果相一致,都反映居群的遗传变异主要来自居群内。
表4 5个居群的分子方差分析结果

Tab. 4 AMOVA analyse as a weighted average from 5 populations

变异来源 自由度 均方和 方差组分 方差分量百分率/%
居群间 4 82.016 0.371 12
居群内 215 557.6929 2.6319 88
总计 219 693.709 3.003 100

2.6 居群遗传结构

基于PowerMarker V 3.25软件通过非加权平均聚类法(UPGMA),以外类群KC为根,对5个黄花补血草居群构建系统发育树(图3)。黄花补血草5个居群被分成两组,其中,ATS居群为一独立分枝;WLKSY、YT、MF、NE 4个居群组成另外一个分枝。ATS居群与其余4个居群之间的遗传关系均较远。
图3 基于Nei’s 无偏遗传距离的5个黄花补血草和外类群的UPGMA系统发育树

注:ATS为阿图什;MF为民丰县;NE为努尔乡;WLKSY为乌鲁克萨依乡;YT为于田县;KC为库车。下同。

Fig. 3 UPGMA dendrogram of 5 L. aureum populations and an outgroup based on Nei’s unbiased genetic distance

通过计算居群间的遗传距离后对居群进行主坐标分析(PCoA),居群间遗传关系与UPGMA的系统发育树结果一致,表现为第1坐标轴信息占比89.73%,第2坐标轴信息占比5.96%,两个主坐标轴共计表达了5个黄花补血草居群95.69%的遗传信息(图4b)。ATS与其他4个居群的坐标位置较远,在第1坐标轴方向上可明显地将其区分出来,ATS居群分布在负轴方向上,其余4个居群分布在正轴方向上(图4a)。为进一步了解地理距离与Nei’s无偏遗传距离的相关性,根据黄花补血草各居群的经纬度计算居群间的地理距离矩阵,后经曼特尔检验(Mantel检验)进行两个矩阵之间的相关性分析,黄花补血草地理距离矩阵和遗传距离矩阵呈显著相关性(R2=0.9598,P=0.010<0.05),回归方程为Y=0.002x-0.1424(图5),表明黄花补血草居群的遗传分化受到明显的地理隔离的影响。
图4 基于遗传距离的5个黄花补血草居群的主坐标分析

注:(a)基于个体的分析;(b)基于居群的分析。

Fig. 4 Principal coordinate analysis of 5 L. aureum populations based on genetic distance

图5 黄花补血草居群Nei’s无偏遗传距离和地理距离的Mantel检验

Fig. 5 Mantel test between Nei’s unbiased genetic distance and geographic distance among L. aureum populations

基于贝叶斯聚类模型对5个居群和外类群KC居群进行Structure分析。当ΔK取得最大值时,K=4(图6),即将5个黄花补血草居群和外类群喀什补血草分为4个组。其中ATS居群的遗传主要来源于同一个祖先群体(红色部分),其余4个居群的遗传信息较为一致,主要来源于另外两个祖先群体(黄色部分和蓝色部分),存在基因之间的相互渗透(图7),即ATS居群的信息来源有别于其余4个居群,且与其余4个居群具较远的遗传距离。该结果与UPGMA系统发育(图3)和PCoA主坐标分析结果(图4)较为一致。
图6 K值与LnP(D)(a)和K值与ΔK值(b)变化趋势

Fig. 6 Line chart of K with LnP(D)(a)and K with ΔK(b)

图7 基于SSR分子标记的5个黄花补血草和喀什补血草(KC)居群的Structure结构图

Fig. 7 Genetic Structure of based on SSR markers in 5 L. aureum and L. kaschgaricum(KC)

3 讨论

异型花柱居群的花型构成与频率是历代交配事件的结果。不足的传粉者服务或缺乏交配类型所导致的花粉限制使异型花柱植物呈现高度的易变性和不稳定性[17-18]。对黄花补血草居群进行研究发现,5个居群中,ATS居群是由雌雄同长的H型花构成,其余4个居群均是由L、S和H型构成,但两类居群花粉/柱头形态均具二型性;花型间的亲和性关系表现为花粉/柱头形态具异型性的花型间亲和,反之不亲和。缘于异型不亲和系统的存在,黄花补血草各居群遗传多样性均维持在中等水平;其遗传变异的12%存在于居群间,88%存在于居群内。基于5个居群的遗传关系分析,ATS居群独立于其余4个居群;主坐标分析和Structure分析的结果进一步证明了ATS居群在进化上的相对独立性,其余4个居群有着较近的亲缘关系,明显存在基因间的相互渗透。推测5个居群可能处于异型花柱演化的不同阶段,各居群中H型花不同于传统的“同型花柱”。

3.1 居群及花型的演变

补血草属是白花丹科中物种最多的一个属[32],具有广泛的分布。基于Koutroumpa等[33]对补血草属214个种进行的系统发育分析及Baker[34-36]对补血草属植物花型及分布的调查发现,该属植物在古近纪(第三纪)晚期的原地中海起源,在中新世晚期、上新世和更新世期间在该地区广泛就地多样化。目前,该地区的补血草属植物大多为雌雄蕊同长、花粉柱头形态具二型性,且自交不亲和的花型[27]。本研究材料黄花补血草居群地处塔里木盆地南缘和西南缘,该区域具有特殊的地理位置,据地质学研究资料表明,大约在晚白垩世-始新世,塔里木盆地属于特提斯洋的一个分支海域,随着地质活动的不断演变,沧海桑田在塔里木盆地上演,位于乌恰县境内的“贝壳山”便是最好见证[37]。此外,也造就了塔里木盆地新老植被成分相结合的植物区系特点,表现为既有古地中海的植被成分,也有本地荒漠环境中发展起来的植被[38]。对该区域5个黄花补血草居群的地理位置、植株形态及花部特征进行比较,发现ATS居群位于塔里木盆地的西南缘,地处昆仑山与天山山脉西段的交汇处,与具有较多孑遗植物分布的乌恰县距离较近,居群中有伴生种刺山柑(Capparis spinosa)和花花柴(Karelinia caspia)这些古老的孑遗植物。该居群与目前地中海地区分布种的花型特点一致,如具花粉柱头形态的二型性,无交互性雌雄异位[27],推测该居群可能是受板块运动的影响后形成的古地中海植物区系的孑遗。其余4个居群位于塔里木盆地南缘,远离ATS居群,植株相对低矮(为匍匐型)、茎枝弯曲,花较小且花冠筒短,这4个居群有着极为相似的植株和花形态特征,推测这4个居群是由本地荒漠环境中发展起来。从现有居群的植株类型看,黄花补血草有直立(图 1a)和匍匐(图1b)两种类型。基于trnl-f序列的进化树[39],直立型和匍匐型位于不同的分支上,且直立型更为原始。这与我们的SSR分子标记结果一致,即直立型黄花补血草(ATS)居群更原始。
白花丹科为二型花柱分布较多的科,著名进化生态学家Baker[34-36]对欧洲分布的该科植物进行了调查,推测该科植物最近的共同祖先可能是自交亲和、花粉/柱头形态为单态的同长花柱,而后在近交衰退、促进花粉准确传递的选择压力下,依次出现了自交不亲和性、花粉柱头形态的异型性和交互性雌雄异位等性状。并成为后来Charlesworth等[40]提出“避免自交模型(Selfing Avoidance Model)”的重要依据。这也是目前少有的支持“避免自交模型”的一个科。但是该模型是否能解释白花丹科植物异型花柱的形成、变异与演化还缺乏证据支撑,尤其缺乏中间过渡类型居群的研究。从黄花补血草5个居群的演化顺序、花形态、花粉柱头形态的异型性及自交不亲和性看,ATS居群可能是交互性雌雄异位出现之前的花型阶段,推测是在避免自交压力下出现的自交不亲和的同长花柱。而其余4个居群中的H型花可能来源于L、S型花,由两花型的交互性雌雄异位变异所致。
异型花柱既涉及花型间的形态差异,也涉及花型内和花型间亲和性关系和程度的生理差异[19]。在已有研究中,大多数异型花柱植物花型间的交互式雌雄异位与异型不亲和系统密切相关,表现为交互性雌雄异位的变异或丢失常伴随着生理上不亲和性的转变[13,22],例如Yuan等[13]对二型花柱迎阳报春(Primula oreodoxa)的研究发现,随着海拔的升高,长吻传粉者的访花频率降低,导致雌雄蕊高差丢失,形成自交亲和的“同型花柱”。Huu等[41]对报春花属植物研究表明,基因CYP734A50共同决定了花柱长度和雌性自交不亲和性,即花形态的变化伴随自交亲和性的产生,两者密切相关,这一发现很好地解释了报春花中“同型花柱”的形成。本研究的H型花具严格的异型不亲和系统,却无雌雄异位现象。与传统意义上的“同型花柱”不同。反映了至少在该材料中异型花柱花形态变异和生理上自交不亲和性转变的相对独立性。

3.2 居群的遗传多样性及居群遗传结构

物种自交和异交的相对频率对居群的遗传多样性产生重要影响,在报春等异型花柱研究中,由于传粉者限制/交配型缺乏等导致异型花柱的花型变异或“同型花柱”产生,多伴随着居群遗传多样性的下降[13,22-23]。如Belaoussoff和Shore[26]发现12个具有不同雌雄异位程度的时钟花居群的异交率的变化范围(0%~69%)与雌雄异位程度密切相关。报春花属10个物种的25个二型花柱居群和15个“同型花柱”居群的交配模式和遗传多样性密切相关,“同型花柱”的居群自交率上升,遗传多样性下降[22]。而黄花补血草的研究显示,由同长花柱构成的ATS居群遗传多样性并不低,在5个居群中处于偏高水平,究其原因可能与异型不亲和系统的维持有关。虽然ATS居群为同长花柱,但和其他4个居群在附属多态性和交配方式上一致。表明花型间交互性雌雄异位的变异并没有引起生理上自交不亲和性的转变,这种花形态变异在补血草属中具一定的普遍性[42-43],也是少有的花形态变异独立于生理上不亲和性转变的一个例子。
物种的遗传多样性取决于种群内和种群间的遗传变异[3]。而居群的遗传变异又受居群所处的地理位置、交配模式、人为干扰等多种因素的影响[44]。经分子方差分析(AMOVA)显示,研究材料有12%的遗传变异存在于居群间,88%的遗传变异存在于居群内,这可能与居群间存在不频繁的基因交流有关,有限的基因交流会导致居群间存在一定程度的遗传分化,但黄花补血草具有严格的、基于花粉柱头异型性的异型不亲和系统,这种交配模式导致遗传变异主要来源于居群内;同时,由于居群间的地理隔离及传粉者的匮乏,使基因流的传递维持在中等水平,使得居群间的遗传变异小于居群内。基于UPGMA系统发育分析和PcoA主坐标分析,都一致的将黄花补血草5个居群分为两类,其中,ATS居群和其余4个居群互为姊妹枝。基于Structure分析结果与上述分析结果一致,表现出ATS居群与其余4个居群间无基因交流,遗传背景较为单一,而其余4个居群间基因流相互渗透,关系较为密切。该结果从分子层面支持了上述我们对于ATS及其余4个居群中H型花的形成及花型演化序列的推理。
居群间的遗传结构受地理距离、居群所受的自然选择力及居群间的谱系来源等多种因素影响。其中,地理分布对居群间的遗传分化具有重要影响[45]。具体来说,相距较近的自然居群在遗传上很相似,而相距较远居群则表现出一定的遗传分化。较远的地理距离可能会对自然居群间彼此的基因流动构成阻力,导致居群的配子体(例如花粉)在有限的距离内传播[46]。经过长期的自然积累,居群间遗传差异的扩大速率会比基因流的均匀化(削弱遗传差异)影响快,导致明显的地理距离和遗传分化相关的现象[47]。我们所调查的5个黄花补血草居群位于塔里木盆地南缘(ATS居群)和西南缘(其余4居群)的边缘地带,在地理分布上ATS居群与其余4个居群由塔里木盆地隔开且相距较远。基于居群间地理距离矩阵和遗传距离矩阵的Mantel检验发现,两者呈显著正相关关系,既具有较远地理距离的居群,也有着较远的遗传距离。但在部分居群间又不严格遵循这一规律,如WLKSY和NE两居群在地理距离上相距很近,而遗传距离却不是最近的,这说明居群间的遗传分化不仅仅受地理距离的影响,还与居群的适应性进化历程及与居群的发生有关[48],如ATS居群.。综上所述,从黄花补血草5个居群的地理位置及其遗传关系看,塔里木盆地的地理隔离、居群的自然演化以及两类居群的谱系来源等共同促成了黄花补血草目前的分布格局和遗传分化式样。

4 结论

黄花补血草为白花丹科补血草属的一种异型花柱植物。基于5个居群的调查,ATS居群由单一的H型花构成,其余4个居群则为L、S和H型花共存的居群。尽管雌雄蕊同长的H型花广泛分布在各居群中,但所有居群(包括ATS)仍具有严格的异型不亲和系统和花粉柱头形态的二型性,且等比。反映了H型花在演化过程中花形态变异与生理上不亲和性转变的相对独立性,是异型花柱演化中“形态与生理功能相互独立假说”的一个少有的典型例证。通过居群关系的系统重建,ATS居群为较早分化的一个分枝,且独立于其余4个居群,结合其株型及花形态特征,推断该居群中的H型花可能位于异型花柱形成之前、在避免自交选择压力下形成的一个具附属多态性的雌雄蕊同长的花型。而其余4个居群中的H型花则可能由L、S型花交互性雌雄异位的变异而来。由于异型不亲和系统的存在,居群的遗传多样性并没有因为H型花的出现而降低。
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