牡丹草属的系统发育与生物地理研究

牡丹草属（Gymnospermium Spach）为小檗科（Berberidaceae Juss.）南天竹亚科[Nandinoideae（Bernh.）Heintze]早春开花的多年生草本植物,约11种,间断分布于北温带欧亚大陆,我国分布3种。牡丹草属植物花色艳丽,多个种具有药用价值,是一类极具经济开发前景的植物类群。此外,该属的多个物种已纳入国际或地方的珍稀濒危植物。然而,牡丹草属包括多少种、种间关系存在较大争议,属的基部类群,系统发育及传播路线仍未确定,这些问题的解决需要强有力的支持率高的系统发育树和生物地理重建。本研究通过跨牡丹草属的分布区10个物种的比较形态学分析,比较质体基因组及其系统进化分析,以及基于转录组数据获得的单拷贝同源核基因构建系统发育树、时间树和祖先分布区重建,探讨牡丹草属的系统发育和生物地理,及分类学问题,为牡丹草属植物资源的开发利用和保护提供参考。主要研究结果如下:（1）通过对牡丹草属10个种32个形态学特征的定性、定量分析,结果显示:植株的高度、茎的高度和直径、小叶的大小、总叶柄、小叶柄、花序轴长度、小花的数目、苞片的大小、小花的大小、花瓣状萼片的大小、退化花瓣的大小、雄蕊和雌蕊的长度、子房及胚珠的大小,种内的变异均大于种间的变异;我国东北分布的牡丹草（G.microrrhychum）成熟叶通常为二回复叶（末回小叶3枚,两侧1枚或2枚小叶二裂）和我国华东分布的江南牡丹草（G.kiangnanense）成熟叶通常为三回复叶（末回小叶数目为3,叶尖多裂）容易与其它种相区别;分布于西天山的3种、阿尔泰山的阿尔泰牡丹草（G.altaicum）、高加索山脉分布的G.smirnowii及欧洲分布的4种牡丹草成熟叶常为二回复叶,小叶数为4-6枚,种间无显著差异。（2）组装了牡丹草属10种17个质体基因组。序列长度从G.scipetarum的157,818bp到Gymnosperium smirnovii（I）的161,406 bp,它们的质体基因组的基因排列顺序一致;3个阿尔泰牡丹草（G.altaicum）质体的ycf1基因在5’端比其他质体的短了约1 KB;牡丹草的rop C1基因因1个碱基的插入,提前终止,比其它质体基因组短约700 bp。利用南天竹亚科其他属为外类群构建的系统发育树,产生了高支持率的系统发育树（仅2个节点支持率不是100%）:亚洲东北部的牡丹草（G.microrrhychum）为牡丹草属的基部类群（支系A）,华东分布的江南牡丹草为次基部类群（支系B）,与其余8个种组成的支系互为姐妹;后者再聚集为2个姐妹支系（C和D）;支系C包括3种分布于西天山的G.albertii、G.darwasicum和G.vitellinum,G.vitellinum的1个个体嵌入G.darwasicum中。支系D包括分布于中亚北部的阿尔泰牡丹草,高加索山脉的G.smirnovii和3个欧洲东南部的G.odessanum、G.peloponnesiacum和G.scipetarum。此外,本研究还从南天竹亚科的基因组中开发了21个质体高变区（核苷酸多样性Pi＞0.02）（3）组装了牡丹草属10种17个个体和2个南天竹亚科的转录组数据,并筛选出了685个单拷贝同源核基因（SCOGs）,并用ML和ASTRAL法构建了牡丹草属的系统发育树,结果表明:与上述质体基因树的拓扑结构基本一致,牡丹草和江南牡丹草仍然为基部、次基部类群,分布于西天山的支系C嵌入到上述支系D中,G.odessanum的1个个体嵌入G.peloponnesiacum的2个个体中。基于230个单拷贝核基因的分化时间估计和祖先分布区重建结果表明:牡丹草属约在17.97 Mya从囊果草属（Leontice）分化出来,牡丹草、江南牡丹草分别在15.86 Mya和14.67 Mya分化出来,其余种物种多样化的时间在10 Mya年内。（4）结合形态学、分子系统树和地理分布的研究结果,牡丹草（支系A）、江南牡丹草（支系B）分化时间长,且二者生境差异大,形成了形态学和分子系统学上都容易区分的类群;西天山（支系C）、阿尔泰山、高加索和欧洲分布的种（支系D）无显著差异,然而这两支系在质体基因组树和单拷贝核基因的树的系统位置发生了变化,很可能支系C和支系D曾发生过杂交事件或者是由不完全谱系分选造成的。此外,质体基因组的树显示G.vitellinum嵌入2个G.darwasicum个体,且二者的形态学特征无显著差异,本研究建议二者合并为1个种;单拷贝核基因的树显示G.dessanum嵌入2个G.peloponnesiacum个体中,结合形态学的特征本研究也建议二者合并为1个种。（5）牡丹草属的祖先分布区可能在东北亚、华东和欧洲,本研究推断其在中新世物种分化前在欧亚大陆北温带广泛分布,可能由于中新世中后期后全球气候的巨变,物种向南扩张导致牡丹草属的植物间断分布在欧亚大陆,本研究进一步支持小檗科植物曾广泛分布于北温带的生物地理假说。