壳斗目的系统发育研究

本文采用来自三个基因组——叶绿体、线粒体和核基因组的六个DNA序列片段，对壳斗目的系统发育进行了重建，主要探讨了壳斗目八个科的科间系统演化关系及不同基因系统树间存在冲突的原因。在此基础上针对具体问题，进一步选用核光敏色素PHYC基因序列对杨梅科在壳斗目中的系统位置进行了更深入的探讨。在对壳斗目开展大量分子系统学研究的同时，还对胡桃科化香树属Platycarya的花形态发生过程进行了详细的扫描电镜观察，讨论了胡桃科单性花的起源和演化问题。主要内容包括： 1 基于四个叶绿体DNA序列的分析 以金缕梅属Hamamelis 和朴树属Celtis 为外类群，对壳斗目几乎所有属的代表共31种植物的trnL-F、matK、rbcL和atpB 序列进行了测定，通过四个序列单独和联合分析，得到如下结果：除rbcL基因树由于信息位点少而分辨率较低之外，壳斗目各科作为单系类群在各种分析中都得到了较强的bootstrap（BS）支持。壳斗目的八个科分为三支：南青冈科Nothofagaceae是基部分支;壳斗科Fagaceae接着分出;核心高等金缕梅类 (core “higher” hamamelids) 聚为一支, 这三支也都得到了强支持。基于不同序列构建的系统发育树，主要区别在于对核心高等金缕梅类六个科，即第三支内部分支关系分辨的不同。在trnL-F树上核心高等金缕梅类又分成两个亚支，一亚支是木麻黄科Casuarinaceae－(桦木科Betulaceae－核果桦科Ticodendraceae)，另一亚支是杨梅科Myricaceae－(胡桃科Juglandaceae－马尾树科Rhoipteleaceae);matK树上，杨梅科则与前一亚支，即木麻黄科和桦木科聚在了一起;atpB树上杨梅科又成了其他所有核心高等金缕梅类的姐妹群;基于四序列联合分析构建的系统发育树的拓扑结构基本上与matK基因树一致。胡桃科和马尾树科的亲缘关系在对不同序列的分析中都得到了较强的支持，但对杨梅科的聚类，支持率都很弱。 2 基于线粒体matR基因序列的分析 除南青冈科作为其他所有壳斗目类群的姐妹群得到强支持外，其余的壳斗目的科间系统发育关系都未得到很好的分辨。最简约树的严格一致树显示杨梅科和木麻黄科聚在一起得到的BS支持不强，另外桦木科和核果桦科，壳斗科和马尾树科分别聚在一起，但得到的支持都未超过50%。 3 基于核核糖体18S rDNA序列的分析 在18S rRNA基因最简约树的严格一致树上，壳斗目被分为两支，一支由壳斗科和南青冈科组成，另一支由核心高等金缕梅类组成，BS支持率均不高。核心高等金缕梅类又分成两个亚支，桦木科，核果桦科和木麻黄科组成的亚支得到了较强的支持，由胡桃科、马尾树科和杨梅科组成的另一亚支得到了更强的BS支持。胡桃科和桦木科的单系性都得到了分辨，虽然BS支持率不高。 4 六个DNA序列的联合分析 通过对六个DNA序列的单独和联合分析，探讨了引起基因树间拓扑结构冲突的可能原因。分别用MP法、NJ法和贝叶斯推论对壳斗目进行了系统发育重建，联合分析提供了分辨率最好、支持率最高的壳斗目谱系关系图： 1、 南青冈科是壳斗目其余类群的姐妹群;2、各科的单系性得到很好支持;3、壳斗科是核心高等金缕梅类的姐妹群;4、核心高等金缕梅类分为两个亚支，一亚支包含桦木科、核果桦科和木麻黄科;另一亚支由胡桃科、马尾树科和杨梅科组成，杨梅科是胡桃科和马尾树科的姐妹群，这一亚支的BS支持率仍然很弱。胡桃科和壳斗科的属间关系未得到很好分辨，多数分支的BS支持率和后验概率值都不高。 5 基于核PHYC基因序列证据对杨梅科系统位置的分析 用壳斗科的栎属Quercus和南青冈科的南青冈属Nothofagus做外类群，核心高等金缕梅类分为两支。桦木科和木麻黄科聚在一起，胡桃科和马尾树科为姐妹群再与杨梅科构成一支，这两个分支都得到很强的BS支持。核基因分析支持六个序列联合分析对核心高等金缕梅类各科间关系的分辨。 6 化香树的花器官发生 在扫描电镜下系统地研究了柔荑花序类植物化香树的雄花、雌花和两性花的发生和发育过程。结果表明：该植物雄花和两性花中小苞片和花被片缺乏;雄蕊轮状发生，成熟阶段雄蕊的不规则排列是由于花托的延伸且和苞片的基部融合后造成的;雌花中存在环状的花被片结构但极度退化，雌花两侧的小苞片和花被片的侧面部分构成小坚果的翅;化香树的两性花向心发生，雄蕊先发生，然后雌蕊发生。胡桃科中的单性花是由两性花退化而来。 本研究的主要发现和结论如下： 1第一次用来自不同基因组的多个DNA 序列探讨了壳斗目八科的系统发育关系;取样包括了所有科的几乎所有的属;所得到的系统树具有较高的分辨率和置信度。主要结论是壳斗目的八个科分为三支，南青冈科是最基部的分支，壳斗科做为核心高等金缕梅类的姐妹群第二个分出，核心高等金缕梅类聚在一起，并进一步分为两个亚支：第一亚支包括桦木科、核果桦科和木麻黄科;另一亚支则由胡桃科、马尾树科和杨梅科组成，杨梅科是胡桃科和马尾树科的姐妹群。 2用核光敏色素PHYC基因较好的解决了杨梅科的系统位置，尽管造成杨梅科在叶绿体基因树和核基因树上具有不同系统位置的原因尚需要进一步探讨。在PHYC基因树上桦木科和木麻黄科聚在一起，胡桃科和马尾树科为姐妹群再与杨梅科构成一支，这两个分支都得到很强的支持。 3首次在壳斗目植物中用扫描电镜观察到了雄花的发生过程和两性花的发生方式，澄清了在化香树属植物中关于雄蕊排列方式、花被式样、以及果翅来源等问题的疑惑或争论。