稻属的系统发育基因组学研究

稻属（OrvzaL．）是禾本科(Poaceae)中的重要植物类群，包含20多个野生种和两个栽培种，共有十个基因组类型，即A，B，C，E，F，G，BC，CD，HJ和HK，蕴藏了极为丰富的遗传资源，是水稻遗传改良的重要基因库。考虑到该属现存物种中的多倍体都是由二倍体杂交起源的，因此，弄清二倍体基因组之间的进化关系对于正确理解整个稻属的进化历史至关重要，同时也为稻属及其近缘类群的进化生物学、比较基因组学和功能基因学研究等提供了一个重要的工作基础。迄今，对稻属各基因组之间的系统发育关系还没有一致的结论，特别是对A、B和C基因组三者之间的关系，以及稻属基部类群的归属问题还存在争议。本研究选取来自不同二倍体基因组的6个稻属物种为研究对象，以近缘属Leersia中的L，tisserantti作外类群，通过对基因组水平的多基因序列数据的详尽分析，探讨了稻属二倍体基因组之间的亲缘关系问题，基因树与基因树之间冲突的机理，以及利用基因组水平的多基因序列做系统发育分析的方法，主要研究结果如下。 利用已完成的水稻两亚种（O．sativaL．ssp. indica和O．sativaL．ssp.japonica）的全基因组序列，筛选并扩增出遍布核基因组12条染色体的142个单拷贝核基因片段。通过对全部基因位点的合并分析，我们得到了一棵有完全分辨并得到显著统计支持的系统树。分别提取各基因的外显子区、内含子区和第三密码子进行合并建树时发现，除了合并外显子区的MP分析以外，所得系统树的树形均不变，说明这棵树基本上不会因为选取基因组不同区域或碱基位点而改变，尽管不同区域或碱基位点受到不同的选择约束力。以基因为单位进行放回式抽样也强烈支持合并建树的分析结果，表明多基因合并序列的系统发育估计并没有受到少数特殊基因的支配。为了考察基因组内物种取样对建树的影响，我们增加了2个A基因组物种以及C基因组的另外两个物种，随机选取其中的62个基因位点进行扩增和测序（增加的O．sativa的序列来自BGI-RIS数据库）。将全部II个物种62个基因位点的序列合并建树分析，得到基因组之间的进化关系均未改变。我们进一步评估了合并数据的系统误差，结果发现，合并数据的系统发育重建也未受到系统误差的影响。综上所述，本研究通过系统发育基因组学方法所得到的系统树反映了类群真实的进化关系。 为了深入探讨以往研究中出现相互矛盾的系统发育关系的原因，我们对142个基因位点分别做了单独的建树分析，并用系统发育网络方法分析了数据中基因之间系统发育信息矛盾的集中位置及其矛盾程度。基于单基因的建树分析及系统误差分析，我们排除了随机误差和系统误差直接造成基因之间信息冲突的可能性。基于溯祖理论( Coalescence theory)的进一步分析表明，稻属进化过程中发生了两次世代间隔较短的连续分化事件，由于祖先居群较大引起基因的谱系分选，进而使得在利用现有物种基因序列来重建这些分化事件时基因树不能正确反映物种树，且呈现出基因组水平的基因树冲突现象。这两次间隔较短的连续分化事件分别对应了稻属中两次物种快速分化过程，整个稻属基因组的多样性几乎都是在这两次物种快速分化过程中形成的。随机抽样分析表明，需要大量的分子序列数据才能正确分辨稻属二倍体基因组的系统发育关系（若取95%的概率，则至少需要120个基因或50kb的随机碱基位点）。本研究用基因组水平的多基因合并数据克服了谱系分选对构建系统树所带来的“噪音”，在存在广泛单基因系统发育信息矛盾的前提下获得了对物种树的正确估计，这充分证明系统发育基因组学方法在解决快速分化类群的进化关系问题中有着巨大潜力和广阔的应用前景。 基于本文所采用的142个核基因，我们初步探讨了利用多基因序列数据构建系统树时如何进行模型选择和插入缺失编码等问题，并评估了数据缺失对基因组水平系统发育重建的影响。结果表明，对合并数据而言，混合模型比单一模型能更好的拟合数据的进化模式;找到合并数据中异质性的根源并做出适当的数据分割是成功运用混合模型的关键;某些模型成分在提高模型对数据的适合度上发挥着重要作用，尤其要考虑位点之间以及谱系之间的突变速率异质性。我们认为，在设置模型时，最复杂的不一定是最好的，把握数据中最重要的进化特征远比简单的增加模型的复杂度重要。插入缺失的编码分析表明，编码后显著增加了对A基因组和B基因组聚为一枝的支持，但对稻属基部类群的分辨状况改善不明显。另外，我们通过去除数据缺失比例较大的类群来降低数据缺 失对系统发育推断的影响，结果所得的系统发育关系不变，支持率也仅有极微小的变化，说明基因组水平的多基因数据由于具有丰富的系统发育信息，因而对数据缺失具有很好的缓冲能力。

神农架植被及其生物多样性与垂直分布格局-兼论中国中、北亚热带植被带的划分

本文主要通过样线法和样方法相结合，进行了大量的群落学调查和分析，分别从植物区系、物种多样性的垂直分布格局和森林群落类型三个方面分析了神农架植被的基本特征及其物种多样性，结果表明： 1．神农架地区具有很高的物种丰富度，有高等植物3，479种，隶属于1，010属，202科。 其中，蕨类植物305种，80属，32科;种子植物3，174种，930属，170科，其中裸子植物32种，19属，6科，被子植物3，142种，911属，164科;单子叶植物501种，175属，21科，双子叶植物2，641种，736属，143科。植物区系属的分布区类型中北温带分布型最多，其次为东亚分布、泛热带分布、东亚北美间断分布、旧世界温带分布以及热带亚洲分布。中国特有成分占5.65%，较全国的8.12%低。温热比(温带分布型(8-11)属数与热带分布型(2-7)属数的比值）为1.200，比全国(0.385)高。 调查样方中共出现高等植物784种，隶属于454属，144科，其中蕨类植物41种，32属，16科;种子植物743种，422属，128科，其中裸子植物20种，14属，5科，被子植物723种，408属，123科;单子叶植物86种，58属，11科，双子叶植物637种，350属，112科。属的分布区类型中北温带分布型最多，其次为东亚分布、泛热带分布、东亚北美间断分布、旧世界温带分布以及热带亚洲分布。温热比为1.52，草本层>乔木层>灌木层分别为2.18、1.76和1.14。 2．神农架植被类型多样，具有常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、落叶阔叶林、针阔混交林、亚高山针叶林、硬叶常绿阔叶林和亚高山灌丛草甸等自然植被类型。本文，依据乔木物种的重要值将神农架地区的森林植被划分出了69个类型。用Twinspan将调查的森林群落划分为32组，能基本上反映群落间相似的关系。 3．神农架地区具有完整的植被垂直带谱：海拔900 (1300) m以下为常绿阔叶林带;海拔900 (1300) m～1500 (1800)ⅡI为常绿落叶阔叶混交林带;海拔1500 (1800) m-2000 (2200)m为落叶阔叶林带;海拔2000 (2200) m～2400 (2600)m为针阔混交林带：海拔2400 (2600)m以上为亚高山针叶林带。神农架地区植被的垂直带的分化从总体上比较显著，但由于小生境的异质性和人为干扰，垂直带谱又具有一定的模糊性和次生性。南北坡具有一定的差异，但不十分明显，也说明神农架植被的过渡性。 4．神农架物种多样性的垂直分布格局。神农架的物种多样性与海拔的关系，类似于“中间膨胀”规律(mid-altitude bulge)，在中低海拔处生物多样性最高。通过二次多项式回归拟合，得到如下拟合曲线： 1)海拔与总体物种数：y= _14.445x2+ 34.74lx+42.07，Xd=1.203km; 2)海拔与乔木层物种数：y=-6.9707x2+ 21.334x+0.2004，Xdrl.530km; 3)海拔与灌木层物种数：y=-6.1599x2+ 9.9747x+30.991，Xd=0.8 lOkm: 4)海拔与草本层物种数：y= _3.9907x2+ 10.455x+15.35，Xd-1.308km; 5）海拔与乔木层Shannon-Wiener指数：y=_0.3337x2+ 0.9877x+0.2537，Xd' 1.480km; 6)海拔与灌木层Shannon-Wiener指数：y=-0.1938xz+ 0.422lx+1.2103，Xd=1.089km： 7)海拔与草本层Shannon-Wiener指数：y=_0.1072x2+ 0.294lx+0.9954，Xd=1.372km; x为海拔( km)，y为各物种多样性指标，Xd为物种多样性的最大时的海拔。 从这些拟合曲线中可以看出：总体物种多样性在海拔1200m左右的常绿落叶阔叶混交林带最高：乔木层物种多样性在海拔1500m左右的常绿落叶阔叶混交林带与落叶阔叶林的过渡带最高;灌木层物种多样性在海拔800-llOOm左右的常绿阔叶林与常绿落叶阔叶混交林带的过渡带最高;草本层物种多样性在海拔1300-1400m左右的常绿落叶阔叶混交林带最高。 但物种多样性随海拔变化有许多的起伏和波动。这些波动有些反映了群落的垂直带谱随海拔梯度变化的特点，在垂直带谱的过渡区物种多样性往往较高;有些波动反映了一些特殊的生境，有些反映了人为活动的影响，造成了神农架植被的次生性。因此，影响神农架物种多样性垂直分布的因素有：植被本身的性质和特点、过渡带的特点、生境的异质性和人为活动。 5．神农架植被水平地带性的过渡性。海拔1300m以下的植物属的分布区类型的温热比南坡总是比北坡小，而且相差十分显著，反映了神农架作为植被分界线的价值。神农架南坡的基带植被是常绿阔叶林，因此南坡属于中亚热带。北坡的基带植被，虽然也有常绿树种的零星分布，甚至有小块的常绿阔叶林，完全由于小生境所至，分布的主要类型是常绿落叶阔叶混交林，应属于北亚热带。因此，神农架是中、北亚热带重要的过渡地带。神农架地区中北亚热带的具体分界线宜按照分长江干流和汉水的水岭来划界，即猴子石、大窝坑、神农架、神农顶、老君山一线，南坡属于中亚热带，北坡属于北亚热带。 总之，神农架处于我国中、北亚热带的过渡带，具有过渡带的性质，具有很高的物种多样性，拥有完整的植被垂直带谱，具有多种多样的植物群落及其组成的生态系统。而且，具有我国许多特有植物和珍稀濒危保护植物和许多资源植物。因此，神农架植被在我国植被体系中具有重要的地位，是我国生物多样性最丰富的地区之一，是生物多样性保护的关键地区，也应是生物多样性研究的热点地区。 另外，调查分析了黄山和万朝山植被及其物种多样性与垂直分布格局，结果表明： 6．黄山样方中共出现高等植物259种，隶属于263属，110科，其中蕨类植物14种，II属，8科，种子植物345种，152属，105科，其中裸子植物9种，8属，6科，被子植物336种，144属，99科，其中单子叶植物37种，27属，6科，双子叶植物299种，117属，90科。属的分布区类型中北温带分布最多，其次为东亚分布和泛热带分布，再次为东亚北美间断分布、热带亚洲分布以及旧世界温带分布，与神农架和万朝山也较相似，但热带分布的属更多一些。温热比为1.1875，灌木层>草本层>乔木层，分别为1.3818、1.2609和1.2143。 黄山的森林植被类型有针叶林、常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、针阔混交林、落叶阔叶林和竹林。Twinspan将调查的森林群落划分为22组，反映群落间相似的关系，比较清楚和适用。依据乔木物种的重要值将森林植被划分出了34个类型。黄山物种多样性的与海拔的关系不十分明显。黄山植被的垂直带谱不是十分明显，将其垂直带谱划分为：海拔1300m(1500m)以下为常绿阔叶林带;海拔1300m(1500m)-1500m(1600m)常绿落叶阔叶混交林 带;1500m(1600m)以上为落叶阔叶林、黄山松林、山地灌木草丛带。垂直带谱在不同坡向上有差别，东、南、西坡的相似性较大，而北坡与其差别较大。 7．万朝山样方中共出现高等植物490种，隶属于339属，124科，其中蕨类植物21种，18属，11科，种子植物469种，321属，113科，其中裸子植物9种，7属，4科，被子植物460种，314属，109科，其中单子叶植物47种，37属，11科，双子叶植物413种，277属，98科。植物属的分布区类型中，北温带分布所占最多，其次为泛热带分布、东亚分布、东亚北美间断分布、旧世界温带分布以及热带亚洲分布，。温热比为1.3366，草本层>乔木层>灌木层，分别为1.5429、1.4063和1.0645。 万朝山的植被类型包括针叶林、落叶阔叶林、针阔混交林和常绿落时阔叶混交林，但没有典型的常绿阔叶林。依据乔木物种的重要值将森林植被划分出了20个类型。万朝山物种多样性与海拔的关系则不十分明显。万朝山的人为干扰比较强，植被的次生性很大，南、北坡物种多样性随海拔升高的起伏较大。

大巴山两种水青冈林的群落特征分析

水青冈林是欧洲、北美东部和日本温带地区最主要的地带性植被之一。在我国，水青冈林仅分布在亚热带山地。因此，无论其物种组成，还是其群落特征都具有明显的区域特点。然而，有关我国水青冈林群落特征的研究还相对较少。大巴山是我国水青冈林分布最集中的地区之一，保存有较大面积的原始水青冈林。本文通过样方调查和植物群落数量特征统计分析的方法，研究了当地巴山水青冈群落和米心水青冈群落的物种多样性特征和群落结构与动态。主要结果如下： 巴山水青冈群落7个样地中，共记录到维管束植物77科、142属、217种。乔木层以壳斗科、杜鹃花科等科为主;灌木层以蔷薇科、忍冬科以及乔木树种的幼树为主;草本层以苔草属植物及普通鹿蹄草占优势。群落区系地理成分划分为16个类型及亚型。不同多样性指数的大小在不同层次有所不同。阳坡、半阳坡的物种多样性高于阴坡;不同层次的物种多样性与海拔、土壤特征的回归关系不同。群落建群种和乔木层主要树种的重要值与物种多样性主要表现为负相关关系。灌木层物种多样性主要受到环境因素的影响，而乔木层和草本层物种多样性更明显地受到环境因子和群落自身特征的双重影响。 巴山水青冈群落的乔木层成层明显。根据树冠高度分布可以将其划分为两个亚层，第一亚层高度约为19-27m，第二亚层高度约为5-9m。高位芽植物在群落生活型谱中所占比例最高，其次是地下芽植物、地面芽植物、一年生植物和地上芽植物。巴山水青冈的株数－高度、株数－胸径分布曲线均呈现两头高、中间低的格局，中间高度和中间径级的植株数量很少。 米心水青冈群落4个样地中，共记录到维管束植物74科、140属、197种。乔木层以壳斗科、蔷薇科等科为主;灌木层以蔷薇科、忍冬科等占优势;草本层主要由莎草科、菊科和百合科等科组成。群落的区系地理成分一共划分为18个类型及亚型。除物种丰度外，物种多样性各个指数的顺序均为草本层>乔木层>灌木层。乔木、灌木、竹子的多度和盖度（乔木的盖度以胸高面积代替）均与物种多样性密切相关。 根据树冠高度可将米心水青冈群落的乔木层划分为两个亚层，第一亚层高度约为16-22m，第二亚层高度约为5-9m。近半数乔木物种在群落中呈簇生状。生活型谱中，高位芽植物占优势，其次是地下芽植物、地面芽植物、一年生植物，没有地上芽植物。米心水青冈的实生幼苗十分匮乏，幼树以萌生树为主。其株数－高度、株数－胸径分布曲线呈递减趋势，幼龄个体数＞中龄个体数＞老龄个体数。