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石蝴蝶属(苦苣苔科)的分子系统学研究—兼论丝毛石蝴蝶两侧对称花进化发育途径
Alternative TitleMolecular Phylogeny of Petrocosmea(Gesneriaceae) and Evo-Devo study of Zygomorphic Flower in Petrocosmea sericea
邱志敬
Subtype博士
Thesis Advisor王印政
2011
Degree Grantor中国科学院植物研究所
Keyword石蝴蝶属 苦苣苔科 叶绿体基因 核DNA 片段 系统发育 花对称性基因 进化发育 Realtime 荧光定量RT-PCR 组织原位杂交
Abstract石蝴蝶属(Petrocosmea Oliv.)是苦苣苔科(Gesneriaceae)、苦苣苔亚科(Subfam. Cyrtandroideae)、长蒴苣苔族(Trib. Didymocarpeae)的多年生草本植物。该属有27 种4 变种,属下分为三个组,分别是中华石蝴蝶组(sect. PetrocosmeaOliv. )、石蝴蝶组(sect. Anisochilus Hemsl. )和滇泰石蝴蝶组(sect. DeinantheraW.T.Wang)。虽然该属植物经过了几次修订,但是石蝴蝶属下三个组的界定、三个组之间的系统关系以及每个组各种类之间的系统关系等仍然存在较多问题。例如,在传统分类上,具有近辐射型花冠和辐射对称花萼的中华石蝴蝶组被认为是该属的基部原始类群,而花萼两侧对称、花药在顶部缢缩的滇泰石蝴蝶组被认为是石蝴蝶属比较进化的类群,但已有大量分子证据支持苦苣苔科中的辐射对称花冠多是次生进化的,故石蝴蝶属下三个组之间的演化趋势还有待分子系统发育的进一步深入研究。针对以上问题,本文通过大量的野外观察、标本查阅、以及分子系统学研究,得出了一些初步的结果。 形态学研究:通过大量的野外考察和标本观察,对石蝴蝶属的形态性状及其变异式样进行了详细的比较分析,发现了很多被传统研究忽视的重要分类性状,重新评估了各性状的分类学价值,认为石蝴蝶属花冠下唇喉部的斑点,背部花冠裂片的形状与结构,花冠上下唇长度比例,花药的形状和开裂方式,花柱被毛情况,花药和花柱的位置关系等在属下种间区分和系统关系的分析方面具有较高的系统学价值。在传统分类中所依据的叶片大小,花萼的形状等并不可靠,这些性状不宜作为属下种间划分依据。 分子系统学研究:利用六个叶绿体DNA 片段(atpI-atpH, matK, trnH-psbA,rps16 内含子, trnL-F, trnT-L)和两个核DNA 片段(ITS 和PeCYC1D)通过cpDNA和nDNA 数据单独和联合的最大简约法和贝叶斯法的系统发育分析,结合石蝴蝶属的形态特征,探讨石蝴蝶属下组间以及种间的系统关系,分析结果将石蝴蝶属划分为五个分支,从基部到顶部依次呈姐妹群关系,进一步的形态学分析也支持分子系统树所展现的该属植物的系统发育关系。在石蝴蝶属传统分类中的三个组中,只有滇泰石蝴蝶组得到了分子系统学证据的支持,而且位于分子系统树的最基部;中华石蝴蝶组排除大花石蝴蝶(P. grandiflora)后在分子树也得到了很好的支持,但位于分子树的顶端位置;石蝴蝶组则被裂解成了三个分支,其中一个分支与多数中华石蝴蝶组植物呈姐妹群关系。在分子系统树各个分支的内部划分上也都得到了形态学证据的支持。我们的研究建议将印缅石蝴蝶(P.parryorum)从石蝴蝶组中转移到滇泰石蝴蝶组中。而且,我们的研究不支持变种绵毛石蝴蝶(P. kerrii var. crinita)、会东石蝴蝶(P. mairei var. intraglabra)以及光蕊滇黔石蝴蝶(P. martinii var. leiandra)与各自原变种的近缘关系,从形态上重新分析后建议将这三个变种提升到种的水平。在石蝴蝶属三个组之间的系统关系上,我们的研究不支持王文采系统关于三个组之间的演化观点。在所有的分析中,滇泰石蝴蝶组位于系统树的基部,是石蝴蝶属的基部类群,而原包括在石蝴蝶组和中华石蝴蝶组植物则是较进化的类群,其中,原中华石蝴蝶组多数种类位于系统树的最顶端,形态上也显示出它们是最特化的类群。综合分子和形态学证据,我们认为石蝴蝶属演化的主线是花萼左右对称向花萼辐射对称方向演化,花冠从明显的左右对称向近辐射对称方向演化,花药从顶端缢缩或收缩向花药两药室近平行方向演化。我们用分子钟分析了石蝴蝶属内支系的分化时间,结果表明石蝴蝶属内部的分化几乎全部是在喜马拉雅地质运动时期形成的,结合石蝴蝶属的地理分布,探讨了石蝴蝶属形态的多样性与喜马拉雅运动时期复杂多样的环境之间可能的适应性辐射进化关系。另外,我们针对石蝴蝶属的花部特征变异的多样性,从花部特征对传粉者的适应性上探讨了传粉者的选择压力可能是石蝴蝶属花型适应性进化的主要动力。 进化发育生物学研究:石蝴蝶属在形态尤其是花形态上变异较大,其在花形态上的变异主要表现在背部花瓣与侧部花瓣和腹部花瓣的长度比例上。据此石蝴蝶属的花冠类型可以分为三种类型,即典型的两侧对称型、极端的两侧对称型和近辐射对称型。为了探讨花对称性相关基因的表达模式与石蝴蝶属花型分化之间的关系,我们从石蝴蝶属中选取了五个代表种为研究对象,即中华石蝴蝶(P.sinensis)、大理石蝴蝶(P. forestii)、丝毛石蝴蝶(P. sericea)、蓝石蝴蝶(P. coerulea)和长蕊石蝴蝶(P. longianthera sp. nov.),代表了石蝴蝶属三种花冠类型。我们分离了这五个种的控制花对称性的关键基因:PeCYC、PeDIV 和PeRAD,对这些基因的氨基酸序列进行了比对,并用Realtime 荧光定量RT-PCR 技术检测了CYC类基因的4 个拷贝在发育初期花的各个部位的表达情况,同时利用组织原位杂交技术(in situ)对丝毛石蝴蝶(P. sericea)花发育早期的CYC1C 和CYC1D 的表达模式进行了研究。结果表明,PeCYC1C 和PeCYC1D 基因是调控石蝴蝶属花冠对称性的主控基因,并且PeCYC1C 在背部花瓣上的表达量与背部花瓣的长度呈负相关。CYC1C 和CYC1D 在丝毛石蝴蝶背部花瓣上的强烈表达,是造成其背部花瓣极度缩短的内在原因。而CYC1C 和CYC1D 在丝毛石蝴蝶雄蕊上的表达从背部又延伸到了侧部,这也正是造成背部和侧部雄蕊都退化的原因。 我们对温室种植的二十余种石蝴蝶属植物人工杂交研究结果表明:石蝴蝶属种间杂交能否成功,跟杂交类群间的系统关系的远近密切相关。在分子系统树上关系越近的种,它们之间的人工杂交就越容易成功,而在分子树上关系较远的种之间的人工杂交则不易成功,这进一步印证了我们的分子系统学研究结果。
Pages135
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ibcas.ac.cn/handle/2S10CLM1/11928
Collection系统与进化植物学国家重点实验室
Affiliation中国科学院植物研究所
First Author AffilicationInstitute Of Botany,The Chinese Academy Of Cciences
Recommended Citation
GB/T 7714
邱志敬. 石蝴蝶属(苦苣苔科)的分子系统学研究—兼论丝毛石蝴蝶两侧对称花进化发育途径[D]. 中国科学院植物研究所,2011.
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