高山松（Pinus densata）同倍性杂交物种形成的生态遗传学研究

种间杂交在自然界中普遍存在。杂交可以为群体带来多方面的遗传改变，具有重要的进化生物学意义。越来越多的证据表明，同倍性杂交物种形成是一种重要物种形成途径，在动、植物物种进化中扮演着重要的角色。同倍性杂交物种形成意味着一个稳定的、可育的、与亲本种间形成生殖隔离的杂种群体建立起来，但不改变染色体的数目。这种生殖隔离被认为是通过快速的染色体重组、生态分化、或空间分离形成的。对于现存杂交种的对比分析和对同倍性杂交物种形成的理论模拟都表明，适应性分化和生态转变在同倍性杂交物种形成中起着至关重要的作用。来自于生态成种的研究也表明生态选择自身就可以导致生殖隔离的形成和新物种的形成。尽管如此，我们对同倍性杂交物种形成过程的研究仍然较多地关注于染色体重组及相应的遗传效应；对于自然选择，特别是生态选择在同倍性杂交成种过程中的作用模式缺乏全面地了解。 本研究以同倍性杂交种－高山松为研究对象，利用地理信息学技术、基于天然群体取样的性状对比分析和人工杂交手段，全面地定量描述了高山松及其亲本种间的生态分化、生态转变下的天然群体生殖适应性、以及生态选择下的形态变异和种间杂交可配性。以此探讨了高山松的杂交成种过程，生态转变和自然选择的重要性以及它们与杂交种适应性、形态变异和生殖隔离之间的关系。利用地理信息学手段，对高山松及其亲本种间的生态分化对比分析表明：高山松与其亲本种间形成了明显的生态转变；在自然选择的作用下，高山松已经具备了对于青藏高原东南缘横断山区高山地带独特的生态适应性；相对于亲本种，它的适应性特征体现为混合型，在某些性状上它高出亲本种的适应性，在另一些性状上，它体现出居中、较低或者类似于亲本种适应性；高山松适生区由于地形地貌的复杂性，往往不连续，呈间断状。基于四个反映结实效率的性状、小孢子母细胞减数分裂异常现象及花粉萌发率在种间的对比分析表明，这些反映生殖状态的指标，在三个种及群体间并没有显著差异；相对于亲本种的天然群体，居于青藏高原的高山松群体，表现出了正常的授粉效率和生殖适应性。高山松天然群体正常的生殖效率表明，它经历了生态转变过程中的选择作用，已经具备了在新生境下，繁殖发展下去的生殖适应性。 在大规模群体取样的基础上，通过对反映植物个体发育和营养状态的球果和针叶形态性状的对比分析，我们发现，高山松及其亲本种间的形态变异存在以下特征：第一，绝大多数性状，在种间和种内群体间都存在着显著的差异，并且大部分性状的差异主要体现在种间；第二，高山松在大部分形态性状上介于两个亲本种之间，少数性状表现为超亲分离、类似于某个亲本或无种间差别；第三，在多数性状上，和亲本种相比，高山松群体都拥有较大的变异幅度。第四，在临近亲本种的群体中，高山松的形态特征更类似于所临近的亲本种。上述形态变异特征及其与气象、土壤、经纬度、海拔等因子间普遍的相关性，意味着生态选择在高山松成种过程中起了重要作用。总的来说，形态性状变异的总体模式揭示出：高山松在选择作用下的遗传和表型的精炼过程中已经形成了自身适应于高原环境的、稳定而有效的形态发育模式和资源利用方式，甚至是恰当的防御机制。 本研究通过云南松×油松的单交实验和油松×高山松部分双列杂交实验，检验了高山松及其亲本种间的杂交可配性。结果表明，就平均水平而言，高山松及其亲本种间的种间杂交结实可配性低于种内杂交，但个别种间杂交组合的结实可配性可能高于种间杂交；高山松及其亲本种间正在或已经形成了部分的合子后生殖障碍；现存的高山松群体及其亲本种间的生态地理隔离可能是很有效的生殖隔离形式，一方面做为合子前生殖隔离，它能避免种间相互传粉、阻碍种间杂交的发生，另一方面做为合子后生殖隔离，它能清除掉可能存在的劣势回交产物。 综合已有的证据，我们提出了高山松同倍性杂交物种形成模型：高山松的同倍性杂交成种是与青藏高原隆升过程以及隆升过程中所产生的全新生态空间紧密相关的；青藏高原隆升导致了生态环境的剧变，创造了全新的生态位，在选择的作用下，拥有综合了双亲遗传基础的杂种基因型开始占领这个全新的生态位；在分化的生态选择的持续作用下，杂种基因型在新的生境下稳定下来，形成了独立于亲本种的资源利用方式、形态特征和繁育系统，具备了完善的生殖和生态适应性；此时，一个与亲本种间以生态隔离存在的同倍性杂交种－高山松形成了；随着分化的生态选择的持续进行,高山松与亲本种间的内在生殖隔离不断加强。