香果树（ Emmenopterys henryi Oliv. ）隶属茜草科（ Rubiaceae ）康达明族（ Condamineeae ）香果树属（ Emmenopterys ），为中国特有的单种属植物。香果树祖先类群在始新世到中新世曾广泛分布于北半球，目前仅分布于中国亚热带地区（北至秦岭北坡，南至云南文山麻栗坡）海拔 400–2200 米处的沟谷或山坡谷地的暖温带落叶阔叶林中，香果树的野外资源量有限，现已被列入我国二级重点保护植物。该物种在中国的分布范围广，是一个很好的检验地理隔离、景观隔离以及自然选择在谱系分化中相对作用模式系统。此外，解析香果树的中性与适应性遗传多样性的空间分布，将为该物种的科学保护提供理论指导与技术支持。由于叶绿体 DNA 遗传信息更多地反映过去一系列的历史事件所遗留的痕迹，而核基因组的遗传信息则能反映近期发生的基因流过程和状况，因此， 本研究利用叶绿体 DNA （ cpDNA ）片段（ psb A – trn H ， trn L – trn F ， trn T – trn L ）、细胞核核糖体 DNA 的内转录间隔区（ ITS ）序列以及 AFLPs 分子标记联合分析香果树分布区内 38 个群体的遗传多样性、遗传结构以及谱系地理结构。 基于系统发生学、亲缘地理学、群体遗传学及景观遗传学等分析方法，解析了物种与谱系进化历史和谱系分化的生态与地理因素。 主要结果如下： （ 1 ）叶绿体与核糖体 DNA 的遗传多样性与遗传结构 基于 cpDNA 和 ITS 的系统发生分析结果表明，香果树大致以长江流域为界分为两大谱系，即南部谱系和北部谱系。在种水平，香果树遗传多样性非常高（ cpDNA ： h T = 0.928 ， π T = 0.00271 ； ITS ： h T = 0.675 ； π T = 0.00195 ），而群体水平的遗传多样性较低（ h S = 0.291 ， π S = 0.00054 ； ITS ： h S = 0.347 ， π S = 0.000828 ），因此群体间分化大（ cpDNA ： F ST = 0.779 ； ITS ： F ST =0.558 ）。南部谱系的遗传多样性（ cpDNA ： h T = 0.889 ， π T = 0.00215 ； ITS ： h T = 0.687 ， π T = 0.0022 ）高于北部谱系（ cpDNA ： h T = 0.818 ， π T = 0.00196 ； ITS ： h T = 0.561 ， π T =0.00085 ）。此外，南部谱系的群体遗传分化（ cpDNA ： F ST = 0.823 ； ITS ： F ST =0.558 ）明显大于北部谱系（ cpDNA ： F ST =0.551 ； ITS ： F ST =0.184 ）。基于叶绿体片段的 SAMOVA 分析，南、北谱系又各自进一步分为东、西两个地理组，即东南地理组、中部 – 西南地理组、东北地理组和西北地理组。香果树在种水平（ G ST / N ST =0.704/0.802 ， P 0.01 ） 和南部谱系 （ G ST / N ST = 0.757/0.868 ， P 0.05 ）具有明显的谱系地理结构，并在种内 （ r = 0.237 ， P =0.001 ） 和南北谱系内（北部谱系： r = 0.506 ， P = 0.001 ； 南部谱系： r = 0.293 ， P = 0.001 ）均检测到距离隔离效应（ Isolation-by-Distance ， IBD ）。 （ 2 ） 谱系分化与群体动态历史分析 基于叶绿体单倍型数据， 使用松散分子钟的贝叶斯系统进化分析方法 ，由 BEAST 软件估算得到：香果树南北谱系分化的时间约为 5.06 百万年前（ Ma ）（ 95% HPD ： 1.68–8.91 Ma ），谱系内的分化时间分别约为 3.64Ma （南部谱系， 95%HPD ： 1.18–6.42 Ma ）和 3.42 Ma （北部谱系， 95% HPD ： 0.99–6.40 Ma ），因此谱系分化 与中新世 / 上新世的气候波动导致物种的气候避难所隔离有关。 通过中性检验和失配分布分析得到， 东南、东北和西北 3 个地理组符合空间扩张模型，其扩张时间分别为 ：东南地理组 c . 0.23 Ma （ 95% CI ： 0.000–0.811 Ma ）；东北地理组 c . 0.19 Ma （ 95% CI ： 0.111–0.314 Ma ）；西北地理组 c .0.26 Ma （ 95% CI ： 0.133–0.376 Ma ） ，均在倒数第二个冰期［里斯冰期（ c. 0.12 – 0.35 Ma ）］区间内 。 （ 3 ）物种生态位模型模拟与谱系生态位分化分析 采 用香果树的 114 个 分布记录点的地理信息，以 6 个生物气候指标为环境因子，使用 MAXENT 软件对香果树过去［末次间冰期（ LIG ； c. 130–140 kya BP ）、末次盛冰期（ LGM ； c. 21 kya BP ）］、当代（ 1950 － 2000 ）以及未来（ 2080 ）的潜在分布区做出预测。结果表明，尽管目前的分布预测很好的代表了该种的现存分布区，但有些预测地区并没有该种的分布记录（如青藏高原的东南部以及台湾地区 ) 。与现代的分布区相比：在 LIG 时期，香果树具有很窄的潜在分布区范围，特别是华中及华北地区（比如，四川盆地的北部以及秦岭 – 大巴山系）；在 LGM 时期，香果树的潜在分布区大幅地拓展，占据了中国亚热带大片低地区域。但是，在将来的 2080 年，除了北方秦岭 – 大巴山系之外，香果树其他的潜在分布区（特别是长江以南地区）急剧压缩。谱系生态位分化分析表明， 香果树南北谱系的生态位存在明显的分化，与其相关的主导因子是与降水相关的生物气候因子。 （ 4 ） AFLPs 的遗传多样性与遗传结构 筛选了 9 对 AFLP 引物组合，对 394 个香果树群体的遗传变异进行了分析。 9 对 AFLP 引物共扩增出了 457 条带峰值清晰、可重复、可判读的条带，其中 431 条（ 94.31% ）为多态性条带。 香果树具有较高的种内遗传多样性（ H E = 0.217 ， I = 0.394 ），较低的群体内遗传多样性（ H E = 0.117 ， I = 0.176 ），因此群体间遗传分化较大（ F ST = 0.344 ）。基于 Bayesian 模型的 BAPS 聚类分析表明： cpDNA 北部谱系单独聚为 1 个群簇，而 cpDNA 南部谱系则由 9 个群簇组成。 PCoA （ principal coordinate analysis ）分析、 NJ （ neighbour-joining ）树的结果与 BAPS 总体一致，但在南部 cpDNA 谱系， PCoA 分析和 NJ 树都支持分成西南 地理组 和中部 - 东南部 地理组 。尽管， cpDNA 南部与北部谱系具有相似的遗传多样性水平（南部： H E = 0.212 ， I = 0.323 ；北部： H E = 0.203 ， I = 0.338 ），但 cpDNA 南部谱系的遗传分化（ F ST = 0.416 ）显著大于北部谱系（ F ST = 0.175 ）。 （ 5 ）空间遗传分化的生态与地理因素 采用基因组扫描（ genome scanning ， GS ）与多元线性回归方法（ multiple linear regression ， MLR ）检测了 AFLPs 的 outlier 位点以及与适应相关的潜在位点，并进一步用 单变量回归分析（ univariate regressions ， UR ） 解析了导致香果树群体局域适应的环境因素。由 Mcheza 和 BayeScan v. 2.0 软件分别测到 67 个和 16 个 AFLPs 的 outlier 位点，有 6 个 outlier 位点被两个软件同时检测出。 通过 MLR 分析发现， 6 个位点中的 4 个位点（ L128 、 L144 、 L294 、 L305 ，占总数的 0.88% ）受环境因子选择 。进一步用 UR 分析得到 平均日较差温度（ BIO2 ： Mean Diurnal Range ）、季节温度（ BIO4 ： TemperatureSeasonality ）、最热月最高温（ BIO5 ： MaxTemperature of Warmest Month ）、年降水（ BIO12 ： Annual Precipitation ）和季节降水（ BIO15 ： Precipitation Seasonality ） 这 5 个环境因子与上述 6 个 outlier 位点具有最强的相关性。 基于中性的 AFLPs 数据，运用随机多重矩阵回归分析（ MultipleMatrix Regression with Randomization ， MMRR ）和结构方程建模（ Structural Equation Modelling ， SEM ）等景观遗传学统计方法研究了环境阻力、地理隔离及自然选择在空间遗传分化中的作用，结果表明：地理隔离效应（ IBD ）对香果树空间遗传分化的促进作用（ MMRR ： 0.3072 ； SEM ： 0.360± 0.037 ）大于环境阻力效应（ Isolation-by-Environment ； IBE ）（ MMRR ： 0.2467 ； SEM ： 0.181 ± 0.151) 。通过环境变量贡献分析得到环境阻力中贡献度最大的是季节性温度（ BIO4 ： Temperature Seasonality ）和温度年较差（ BIO7 ： Temperature Annual Range ）；其次是年均温（ BIO1 ： Annual Mean Temperature ）、最热月最高温（ BIO5 ： Max Temperature of Warmest Month ）及最干季平均温（ BIO9 ： Max Temperature of Warmest Month ）；而坡度、土壤类型及年降水量贡献度最小。因此地理隔离、环境阻力及自然选择共同塑造了香果树近代的空间遗传结构。 综上所述，香果树在种水平具有较高的遗传多样性和明显的谱系地理结构，谱系分化与中新世 / 上新世的气候波动导致物种的气候避难所隔离有关，当代的群体间 地理隔离与环境阻力对群体间的基因流也产生了明显的阻隔效应，同时自然选择导致的局域适应性则进一步加速了群体间分化。本研究所揭示的香果树群体遗传多样性和遗传结构，对香果树群体的保护具有重要的理论指导作用，同时，有助于理解晚 第三纪气候变化对东亚温带植物进化历史和分布的影响 。 关键词 ：香果树，亲缘地理，景观遗传，生态位模拟，生态位分化，地理隔离，环境隔离 Yong-HuaZhang, Ian J. Wang, Hans Peter Comes, Hua Peng, Ying-Xiong Qiu. Contributionsof historical and contemporary geographic and environmental factors tophylogeographic structure in a Tertiary relict species, Emmenopterys henryi (Rubiaceae). Scientific Reports (SCI ， IF= 5.578). 03 May 2016. DOI:10.1038/srep24041.
标签: 景观遗传学
