山东山旺中新世植物重要类群演化生物学与古气候定量重建的研究

　　早在20世纪三十年代，前人发现山旺中新世具有丰富的植物化石，枝叶、果实、花保存完好。1940年我国植物学家胡先骗与美国加州大学钱耐发表研究专著《中国山东山旺中新世植物群》，报道了30科61属84种植物，为最早系统地进行山旺植物研究的奠基之作，至今仍然具有很高的科学价值和国际影响。1946年布朗发表论文涉及山旺部分属种修订工作。1951年斯行健发表文章：评胡先骗与钱耐著“山东中新统植物群”， 对部分属种鉴定提出异议。1978年植物所与南古所老一辈科学家又作了大量补充与修订，完成合著《中国新生代植物》，该书对山旺植物群进行了系统整理，总计43科87属125种植物，奠定了 山旺植物群的基本面貌。此后，山旺植物群陆续有新的类群添加。目前所知山旺植物群主要以温带落叶植物为主混生了部分亚热带常绿和落叶阔叶植物。该植物群不仅种类繁多，数量丰富，而且保存完整，是我国新生代植物群中研究程度最好的代表。 尽管山旺研究已经取得如此丰富的成果，但是在Hu&Chaney (1940)研究山旺植物群之后的长达60年里( 1940-1999)，关于山旺叶、果实与花的研究仅局限于外部的形态描述，缺乏对其进行细胞形态结构和角质层等结构植物学的实验分析研究，从而大大制约了对该植物群性质的理解和类群演化生物学的深入的研究。 近年来我们通过与国际国内同行的广泛合作，运用国际古植物学研究的新技术、新方法，如叶结构分析、角质层分析、细胞形态结构分析等，在光学显微镜与电子显微镜不同层次的观察上，将植物体外部形态学与内部细胞结构研究相结合，开展对山旺植物群的类群研究，取得了重要进展。我们首次成功提取了山旺植物“阿斯羌属”(As tronium)的角质层，并观察到气孔器结构，为该类群的正确修订提供了确凿的生物学证据，建立了化石新属钱耐属(Wang andManchester，2000)。山旺中新世地层中过去报道存在大量的“阿斯羌”花化石，为五个萼片宿存的辐射对称的花，果实球形，一枚，项生。这种生殖结构也普遍见于欧洲大陆的中新世地层和北美大陆美国的始新世地层中。欧洲人Heer在1859年提出它属于分布于东亚的旋花科的飞蛾藤属(Porana)植物; Weyland在1937年认为它应当是热带龙脑香科非洲马达加斯加岛屿特有分布的Mono tes属植物;美国人MacGinitie在1953年认为它属于分布于南美的漆树科的阿斯羌属(Astronium)植物，其确切系统位置众说纷纭。在中国新生代植物一书中，采用了美国人MacGinitie在1953年的观点，称之为阿斯羌花。斯行健先生认为是旋花科的飞蛾藤属植物。 我们调查了密苏里北京植物园标本馆馆藏的南美和非洲标本，以及哈佛大学标本馆的馆藏东亚标本，对上述科属现存植物的花结构进行了全面的详细研究。发现5个萼片宿存的辐射对称的花见于多个不同的科属类群，是一种趋同演化性状，而萼片脉纹与表皮细胞气孔器排列、果实形态与数目等特征在上述不同类群中极易区分。因而逐一排除了属于上述现存类群的可能性。我们研究的山旺与北美的化石标本显示的果实个体发育过程与现存植物苦木科苦木属(Picrasma)的果实发育相似，果实发育早期为5枚分离，后期3-4枚退化，仅1-2枚，通常为1枚球形果实留存，花瓣脱落，萼片宿存。但是，它们二者在果实形态与萼片表皮结构上，仍存在很大差异。现在认为它属于一个绝灭的植物类群，化石的系统位置尚无法放入现存的科属系统，可能接近于苦木科。因此，建立了一个化石新属钱耐属(Chaneya)。目前，该属包含二个种，一个分布于北美始新世地层，另一个分布于东亚中新世地层，欧洲的材料由于缺乏深入研究，尚无法确定归属。钱耐属在北半球第三纪地层中呈东亚北美间断分布。钱耐属的研究，不仅为探讨东亚与北美植物区系的联系和植物类群的分化历史提供了重要的证据(Wang and Manchester，2000)，更为深入探讨山旺化石植物重要类群的结构与演化生物学研究提供了成功的范例。 山旺的榉属(Zelkova)是山旺植物群的一个常见分子。榉属是欧亚大陆分布的植物，现存6种，在欧亚大陆第三纪地层中发现了大量的榉属化石，包括果实与叶连生的枝条。在北美大陆虽然有榉属化石报道，但是由于缺乏果实，仅靠叶的特征难以令人信服，榉属是否存在于北美仍有争议( Manchester，1989;Manchester，个人通讯)。近年基于我们在山旺组发现和采集到大量的榉属离散叶片以及联生有果实和叶的生殖枝条的深入研究，获得了化石叶结构、表皮细胞、表皮毛、气孔器、核果的大量结构生物学信息。通过与奥地利维也纳大学的 Ferguson教授合作，建立了欧亚现存榉属6个种的生物学形态与结构信息参照系，古今对比结果清楚表明山旺榉的叶缘齿式结构及表皮特征组合最接近我国南部分布的Z. schneideriana，而不是Hu and Chaney (1940)建议的广布于东亚的Z serrata，也明显不同于欧亚大陆共有、分布于西亚伊朗和东欧高加索地区的Z. carpinifolia。常见于欧洲第三纪的翁格榉(Z. ungeri)在形态学更接近Z.carpinifolia。因此，山旺榉明显不同于翁格榉，有其独立的种级特征，应建立东亚中新世榉属的一新种一山旺榉(Z shanwangensis sp. nov.)。榉属在欧亚大陆上的种级分化可能至少在中中新世即已出现。 我们1995年报道了山旺中新世地层发现中国特有植物杜仲化石，并利用先进的电子显微镜设备，找到了确凿无疑的原位化石杜仲特殊胶丝结构直接证据。《美国植物学报》1997年发表文章评论这是目前我国唯一可靠的、保存有精美的胶丝细胞结构的杜仲化石。近年我们迸一步采用古今结合的方法，运用自创的“特有种气候分析法”，对中国重要特有植物杜仲开展了多学科综合研究，利用现存杜仲种子春季萌发需要特定温度的生理学研究结果，结合自然分布区的温度分布，定量恢复了山旺中新世古春季温度数值;该项研究工作的论文列入著名国际SCI刊物《美国植物学报》2003年1月第一期首篇文章。美国植物学报评审人评价：这是应用现代植物实验数据解决地质时期古气候学问题的一个极好例子，是经典之说“现代是（认知）过去的钥匙”的例证，更是当前古植物学研究的一个范例。该文作出的重要贡献体现在如下几个方面：1、提供了现代植物生理生态的实验数据;2、提供了古植物学研究需要的解剖学证据（胶丝）;3、更正了古生物地理方面的一个假说（杜仲何时在中国出现）; 4、提出了一个解答古气候学问题的新方法。 最后一点实际上也是最重要的一点。” 油杉属的研究显示该属现代有三个种，生活在东亚中国，越南和老挝。它曾经在北半球广泛分布，以球果、种鳞、具翅的种子、木材等形式保存在新生代第三纪地层中，如已经有报道的北美大陆美国俄勒冈渐新世和中新世，欧洲中部中新世，亚洲日本中新世和上新世，俄罗斯远东渐新世到中新世地层。本次山旺中中新世与美国俄勒冈渐新世Rujada flora发现的油杉，接近现存油杉属的属型种油杉。北美中新世和亚洲日本中新世和上新世报道了接近于现存种铁坚油杉的化石。这些证据反映了东亚与北美第三纪植物区系的联系远比今天密切，油杉在北美中新世末期后、在欧洲早更新世之后和在东亚日本上新世结束，在上述地区消失。油杉今天仅孑遗分布于东亚中国秦岭以南、雅砻江以东，长江以南及台湾、海南岛和越南、老挝等亚热带至热带北缘的低山、丘陵山区。山旺油杉的球果化石具有现存油杉和铁坚油杉复合种的特征，可能代表了兼具中国两种油杉共同特征的一个早期类型，由此也表明油杉和铁坚油杉的物种分化在中国有可能是1500万年以来发生的新近事件。同时，油杉球果（松科）的首次发现，解决了山东山旺中中新世化石产地有无裸子植物这个长达半个世纪的争论(Hu andChaney，1940：斯行健，1951)，进一步确证了山旺中中新世气候为亚热带山地气候类型。

稻族的分子系统学研究

稻族（Oryzeae）是禾本科中包含多种经济植物的重要类群，现有大约12个属，广布于全球的热带和温带地区。虽然有证据表明稻族是一个单系类群，但稻族的分类处理和属间系统发育关系以及稻族的生物地理学等方面仍存在许多悬而未决的问题。本研究利用了7个DNA片段，包括2个叶绿体基因片段（trnL和matK）、1个线粒体基因片段（nad1）和4个分布在不同染色体上的核基因片段（Adh1、Adh2、GPA1和Waxy）以及形态性状（87个）重建了稻族的系统发育关系，并在此基础上利用6个DNA片段（trnL、matK、nad1、Adh1、Adh2和GPA1）探讨了稻属基部类群的系统发育关系。同时在系统发育研究的基础上，进一步探讨了稻族物种间的分歧时间及生物地理学问题。主要结果如下： 1.稻族的系统学 多基因和形态性状的分析表明：1）稻族是单系类群可分为两个主要分支，相当于传统的两个亚族，第一个亚族（Zizaniinae）包括稻属﹑假稻属和Porteresia，而第二个亚族（Oryzinae）包括其余8个属。两性花是稻族的原始状态，而单性花多次起源，共起源了3次，因此单性花和两性花的区别不宜作为划分亚族的依据;2）Zizania 与分布在南美的单型属Rhynchoryza关系最近;3）一些单型属（Hydrochloa、Porteresia和Prosphytochloa）的确立得不到分子证据的支持，特别是Hydrochloa，形态证据分析的结果明确不支持建立该单型属;4）形态分析结果支持Zizania 4个种聚为一支，而东亚的一个种（Zizania latifolia）为该属基部类群。 2.稻属基部类群的系统发育关系 多基因系统发育分析表明：1）稻属是一个单系类群;2）所有数据都支持稻属10种染色体组类型各自为单系，包括稻属中最后确定的染色体组类型HK（Oryza schlechteri和Porteresia coarctata）;3）F染色体组与HK和HJ中的H染色体组关系最近，类似于E染色体组与异源四倍体的CD染色体组中的D染色体组关系最近; 4）双亲遗传的核基因和母系遗传的线粒体和叶绿体基因的对比分析表明，HJ染色体组两个物种的母系来源是H，而HK染色体组两个物种母系来源是K。三个染色体组相比较，H分化较早，J次之，K分化最晚;5）在系统发育研究基础上，本研究认为稻属4个复合体的划分是可信的，原来未划分到任何一个复合体中的两个种O. brachyantha和O. schlechteri以及新近归入稻属的Oryza coarctata都应归入O. ridleyi复合体。 3.稻族各谱系的分化时间及其生物地理学意义 利用分子钟及其改进方法对稻族各谱系的起源和分化时间进行了估测，并在此基础上探讨了形成各类群地理分布式样的可能原因。结果表明，稻族在始新世（Eocene）晚期（3640万年前）起源于东南亚随后分为两大支。稻属基部类群G染色体组物种与稻属其他物种在1200万年前分开;稻属中A/B/C/E染色体组类群在700万年前开始分化。 在稻族的第一大支Oryzinae亚族中，稻属和假稻属1400万年前分开后，通过远程扩散及随后的漫长的历史过程形成了目前的分布格局。稻属从东南亚起源并逐渐扩散到非洲、澳洲及美洲;而假稻属则从非洲出发扩散到全球的热带和亚热带地区。这两个属的演化历史非常相似，都是全球广泛分布且起源时间较晚。 在稻族第二大支Zizaniinae亚族中，Zizania是稻族中唯一欧亚-北美间断分布属，与其分布在南美的姊妹群Rhynchoryza在2554万年前分开，这一支可能是先从南美扩散到东亚，然后再从东亚扩散到北美;Zizaniopsis和Luziola两属在南美洲和北美洲都有分布，其分歧时间为2180万年前，这两属具有类似的进化历史，即通过上新世（Pliocene）末期隆起的巴拿马陆桥形成现在的分布格局;Chikusichola与Potamophila/Prosphytochloa这一支从中新世（Miocene）早期（2270万年前）开始分化，由于Chikusichola（分布在东南亚）、Potamophila（澳大利亚）和Prosphytochloa（非洲）相距很远，这3个属的扩散必然与跨洋远距离扩散有关。

黄杉属的分子系统发育与生物地理学

松科植物的叶绿体和线粒体基因分别为父系和母系遗传，二者的联合分析为系统发育重建，特别是揭示网状进化过程提供了便利条件。此外，松科中的多个属（如黄杉属、铁杉属等）呈洲际间断分布，是研究生物地理学问题的良好试材。 本文选择来自于叶绿体和线粒体基因组的5个DNA片段，通过序列分析对黄杉属的所有8个种进行了系统发育重建;同时结合已有的对黄杉属的各方面研究，讨论了该属典型的东亚-北美间断分布式样的形成过程。主要结果如下： (1) 叶绿体DNA片段trnfM-trnS、rpl20和trnP的序列分析 无论叶绿体基因两两组合分析还是3个叶绿体片段的联合分析均强烈支持东亚的6种黄杉属植物聚为一支（支持率>96%），其中日本黄杉位于最基部，其他分布于中国的5个种聚在一起。 (2) 线粒体基因nad5和cox1的序列分析 线粒体基因序列的进化速率较慢，信息位点相对较少，因此分辨率较低。本文中线粒体DNA序列在黄杉属的东亚物种间几乎没有分辨率，但是仍以>60%的Bootstrap支持率将该属分为东亚与北美两个姐妹支。 (3) 5个DNA片段的联合分析 5个细胞质DNA片段(trnfM-trnS, rpl20, trnP, nad5, cox1)的联合数据矩阵长4351 bp，其中含变异位点129个（3.0%），信息位点109个（2.5%）。利用最大简约法进行的系统发育分析表明：黄杉属分成北美和东亚两支，与地理分布相吻合，并分别得到了66%和100%的支持;中国的5个物种形成一个单系分支，该分支与日本黄杉为姐妹群关系。 根据上述叶绿体和线粒体DNA片段的序列分析结果，并结合前人的研究资料，我们认为黄杉属通过白令陆桥扩散后，在北美和东亚独立进化，但该属的起源地尚需要进一步研究。

雪松属的分子系统发育与生物地理学

南北纬四十度之间的山区在冰期时为很多植物提供了避难所，因而受到生物地理学研究者的广泛关注。地中海地区和青藏高原（东南部）均是全球生物多样性热点地区，很多生物类群间断分布于这两个地区，研究这种间断分布格局的形成过程具有重要理论意义。雪松属（Cedrus）含有四个关系密切的种，间断分布于地中海地区和喜马拉雅西部。在本研究中，我们从父性遗传的叶绿体和母性遗传的线粒体基因组中选取了八个DNA片段，通过序列分析重建雪松属所有物种的系统发育关系，并探讨该属生物地理格局的形成过程。主要研究结果如下： 所有分析的DNA片段中均未发现种内变异。5个叶绿体片段的合并分析、3个线粒体片段的合并分析以及所有8个细胞质DNA片段的联合分析均只得到一棵最简约树，而且不同分析得到的树图结构高度一致。雪松属分为喜马拉雅（C. deodara）和地中海两支;在地中海雪松支系中，北非雪松（C. atlantica）构成一个亚支，地中海东部的黎巴嫩雪松（C. libani）和塞浦路斯雪松（C. brevifolia）形成另一亚支，两个亚支间为姐妹群关系，并已发生较大的遗传分化。该结果与细胞和生化等研究结果一致。 雪松属的可靠化石发现于哈萨克斯坦西部的渐新世地层、欧洲西南部的中新世地层、欧洲东南部的上新世地层以及撒哈拉的早更新世地层，这种化石分布暗示雪松属可能是在欧亚大陆的高纬度地区起源的。自第三纪开始，全球由广泛的高温气候演变为具有大面积陆地冰盖的寒冷气候，这种气候变化促进了生物群的演替和分化。我们对雪松属的系统发育研究表明：该属植物可能在欧亚大陆高纬度地区起源后，因气候变冷而南迁，并通过隔离分化形成环地中海－喜马拉雅间断分布格局。结合青藏高原和地中海地区的气候和地质历史，我们推测雪松属在中新世以后才分布到喜马拉雅地区，并很可能在第三纪末才迁移到北非。

云杉属的分子系统学与生物地理学研究

云杉属植物是非常重要的森林树种，广泛分布于北半球的寒温带、温带高山和亚高山地带。该属为松科中仅次于松属和冷杉属的第三大属，约有 28-56 种。自云杉属建立以来，其属于松科没有任何疑议。然而，由于云杉属物种间频繁杂交、形态趋同和取样困难，尽管已经有基于形态学、细胞学、化学成份、叶绿体 DNA RFLP 等方面的研究，该属的属下分类仍然存在诸多争议。本文利用父系遗传的叶绿体基因和母系遗传的线粒体基因序列重建了云杉属的系统发育关系，探讨了云杉属生物地理格局的形成过程。在此基础上，我们研究了低拷贝核 CAD 基因在云杉属的进化式样。另外，我们还对裸子植物线粒体基因 rps3 的内含子分布和进化进行了初步研究。 1． 云杉属的系统发育和生物地理学研究 我们选择了 Farjon (1990) 确定的 34 个种中的 33 种 (另一个种在 Flora of China 未得到承认)，共 103 个个体，对这些个体的叶绿体 DNA 片段 trnC-trnD 和 trnT-trnF 以及线粒体基因 nad5 的第一个内含子进行了序列测定。在两个叶绿体基因片段联合分析构建的系统发育树上，北美西部的 P. breweriana 和 P. sitchensis 位于最基部。其余的物种分为三支：第一支由北美的两个物种组成;第二支包括分布于喜马拉雅-横断山区及其周围地区的八个种、台湾的 P. morrisonicola、西亚的 P. orientalis、日本的两个种及北美的 P. chihuahuana;第三支中，北美的 P. pungens 位于基部，亚洲东北部的种 (除 P. maximowiczii 和 P. torano 外)、P. retroflexa 和欧洲的 P. abies 构成一个单系群，并与北美的 P. mariana 和 P. rubens 及来自巴尔干半岛的 P. omorika 形成姐妹支。所有样品的 nad5 第一个内含子序列可分为 A、B、C、D 和 E 5 种单倍型，北美的物种拥有前 4 种，而且 A、B 和 C 单倍型为北美所特有;欧亚的物种仅含 D 和 E 两种单倍型。 上述结果结合 MacClade 和 DIVA 分析及化石证据，我们推断云杉属起源于北美，至少两次经白令陆桥扩散至亚洲，然后从亚洲扩散至欧洲。亚洲东北部的绝大多数物种和欧洲云杉 P. abies 的种间遗传变异非常低，而且线粒体单倍型均为 D，可能来源于一次近期的辐射分化。云杉属的现代分布中心之一喜马拉雅-横断山区的物种可能不是一次起源，日本的物种同样如此，这可能与第三纪气候变冷和第四纪冰川导致的物种迁移有关。此外，我们发现目前用于云杉属分类的一些形态性状（如叶扁平、菱形等）在系统发育树上位于不同的位置，说明这些性状可能不是一次起源或是祖征在不同支系中的保留，用于云杉属的系统划分须慎重。 2． 云杉属 CAD 基因的进化研究 裸子植物的多倍体特别少，且以基因组庞大而著称。被子植物中的很多单拷贝基因在裸子植物中以低拷贝或多拷贝基因家族的方式存在。CAD 基因在木质素单体合成的最后一步起作用，在松属中只发现了一种 CAD 基因拷贝，在欧洲云杉中却发现了三种拷贝，而且 Southern 杂交和子代分离鉴定结果表明这三种拷贝至少位于两个位点上。然而，对云杉属三个物种 (包括欧洲云杉) 构建的遗传图谱却都只发现了一个 CAD 基因位点。由于云杉属 CAD 基因的数目和分布存在很大争议，我们根据构建的叶绿体基因树，选择了不同支上的 20 个物种、29 个样品研究该基因的进化式样。结果表明：云杉属不同物种中 CAD 基因的拷贝数为 1-4 种，多数为 2-3 种。系统发育分析发现有些物种的所有 CAD 基因拷贝聚成一支，另有一些物种的 CAD 基因拷贝位于不同位置。此外，我们对 GenBank 中云杉属三个物种 CAD 基因的 EST 序列分析后发现：EST 序列的差异主要发生在 3’-UTR 区，表现为序列长短的不同，这有可能是进行体外反转录时引物结合于不同的位置所致。因此，结合前人研究（包括遗传图谱分析），我们推测 CAD 基因在云杉属内发生了多次重复，重复拷贝很可能呈串联排列。 3. 裸子植物线粒体基因 rps3 的进化研究 线粒体基因内含子的获得/丢失已经被广泛应用于系统发育研究。rps3 为分布最广的线粒体核糖体蛋白基因，一般含一个内含子，前人研究显示其在裸子植物中多了一个第二类内含子 rps3i2，并将这个内含子作为区分裸子植物和其它植物类群的标志之一。然而，该研究只选择了苏铁和银杏作为裸子植物的代表，取样代表性不足。在本研究中，我们对裸子植物每个科至少选择一个物种作为代表，通过 DNA 序列和部分物种的 RT-PCR 分析，探讨 rps3 基因在裸子植物中的进化。结果表明 rps3 基因内含子的分布与裸子植物系统发育关系相吻合：Conifer II、松科的落叶松属和黄杉属及百岁兰科不仅不含 rps3i2，而且丢失了第一个内含子;金钱松属缺失第二个内含子。我们推断在 Conifer II 的祖先和百岁兰科中分别一次性丢失了两个内含子;在松科中则发生了两次单独的丢失事件，一次是在落叶松属和黄杉属的祖先中丢失了两个内含子，一次是在金钱松属中丢失了第二个内含子。另外，在 Ephedra 中没有扩增出 rps3 基因，Gnetum 中具有第二个内含子，倪藤科的 rps3i2 似乎支持松科与倪藤纲的关系更近。对 rps3i2 的进一步分析发现，其序列结构与松科的系统发育关系非常吻合。根据上述结果和 mRNA 编辑位点分析，我们认为 Conifer II等类群中的两个rps3内含子丢失可能是反转录酶介导的 cDNA 反转录造成的。Psuedolarix 的内含子丢失也可能为相同机制，但因缺乏材料而未能进一步研究。

长花马先蒿的居群遗传变异与生物地理学

青藏高原地区是我国植物物种多样性和特有性最高的地区，且作为东亚植物区系的一个现代分化中心受世人瞩目。长花马先蒿是青藏高原高山草甸的广布种，其地理分布格局的形成与高原的隆升和气候变迁有着密切关系。因此，对长花马先蒿进行谱系生物地理学研究，有助于探讨青藏高原地区物种快速分化的机制和群体建立过程。 本研究对长花马先蒿11个居群、188个个体的叶绿体DNA trnT-trnF区进行了序列分析，发现该片段的长度变异范围为1441-1472bp。对位排列后的矩阵（含外类群）长1534bp，内类群中含33个碱基替换和 17 个插入/缺失,可分为20种单倍型。11个地理居群的总核苷酸多态性（π）为0.00468，单倍型多态性（Hd）为0.853，居群间的遗传变异（FST）高达88.2％，说明长花马先蒿具有很高的遗传多样性，且居群间发生了强烈遗传分化。 系统发育和遗传多样性分析发现长花马先蒿的20种叶绿体单倍型可归于四个地理单元——川西高海拔地区、川北地区、云南德钦地区及川藏地区。进一步分析发现：4个地理单元间存在着显著的遗传分化, 说明长花马先蒿具有明显的谱系地理分布格局。其中川西高海拔地区的四种主导单倍型构成了系统发育树最基部的一支，而以川西地区为中心、向南扩展至云南的两个居群所包含的几种单倍型均属于比较进化的类型。单倍型的网络关系(Network) 显示出西藏、青海、云南及四川北部的一些单倍型间遗传差异很小，亲缘关系很近。上述结果表明：长花马先蒿群体在冰期后的重新扩张过程主要表现为由南往北的递进式扩散，第四纪冰期气候的反复波动导致了该物种居群随生境变化而不断扩张或收缩,形成了现今的分布格局。初步推测川西地区很可能曾是长花马先蒿在第四纪冰期时的重要避难所，瓶颈效应和奠基者效应对其遗传多样性分布格局有重要影响。

崖柏属的系统发育与生物地理学研究－兼论广义柏科4CL基因的进化

第三纪末期和第四纪的气候变冷使广泛分布于北半球的暖温带/亚热带生物区系的分布区破碎化，形成了各种洲际间断分布格局。其中东亚—北美东部间断分布最为常见，自林奈时代起就吸引了植物学家们的关注。为了探讨这一地理分布格局的形成过程，前人开展了大量的研究工作，包括间断类群分布的比较、种间关系的经典分类学和化学分类学研究、地理分布的分支分析、遗传距离的估算等。随着分子系统学的发展，在各级分类阶元水平上探讨植物系统发育关系的研究取得了重大进展，很多植物类群的系统发育得到了重建，这使东亚－北美间断分布类群的历史生物地理学研究变得更为切实可行。同时，生物地理学的理论有了新的发展，新的分析方法不断涌现，化石记录及古气候和古地质资料得到大量积累，为深入探讨东亚—北美间断分布提供了条件。目前，已有20 多个东亚－北美间断分布的植物类群被详细研究，丰富了我们对这一现象的认知。然而，以往的研究多基于单亲遗传的叶绿体基因和（或）PCR 直接测序所得的nrDNA ITS 序列，在探讨杂交和网状进化方面存在较大的局限性。在本研究中，我们选取了崖柏属（Thuja L.）这一典型东亚—北美间断分布类群，用来自叶绿体和细胞核的多个基因序列重建其系统发育，探讨其地理分布格局的形成过程，并讨论不同遗传体系的多基因联合分析在植物生物地理学研究中的应用。此外，我们还初步探讨了低拷贝核基因4CL 在广义柏科的进化式样。 1、崖柏属的系统发育和生物地理学研究 崖柏属共 5 种，其中3 种分布于东亚，2 种分别分布于北美东、西部。我们用5 个叶绿体DNA 片段（rpl16 内含子, atpI-rpoC1、trnS-trnfM 和trnS-trnG 基因间区以及trnT-trnF 区）和3 个核基因片段（ITS，LEAFY，4CL）的序列重建了崖柏属的系统发育。发现：（1）基因树拓扑结构的冲突存在于叶绿体基因和核基因之间，甚至不同的核基因之间，说明崖柏属曾发生多次种间杂交并导致网状进化;（2）崖柏属中存在两个种对，即日本香柏－崖柏和朝鲜崖柏－北美香柏;（3）朝鲜崖柏在叶绿体和核基因树上位于不同的位置，可能因古老的杂交和叶绿体捕获所致;（4）北美乔柏的叶绿体基因存在镶嵌式的变异，可能在物种形成过程中发生了叶绿体重组。根据分子钟度量结果，崖柏属两个种对的分化时间为51.1±3.96 Mya，日本香柏和崖柏的分化时间为23.7±5.04 Mya，朝鲜崖柏和北美乔柏的分化时间为14.7±6.06 Mya。 基于多个基因的系统发育分析、DIVA 分析、化石证据和分子钟度量，我们推测崖柏属在古新世或更早的时候起源于北美高纬度地区，并通过白令陆桥扩散到东亚，然后通过隔离分化形成日本香柏－崖柏这一种对。白令陆桥和阿留申陆桥可能在崖柏属的进一步迁移中起了重要介导作用，使崖柏属内发生了多次种间杂交事件，并导致了崖柏－日本香柏和朝鲜崖柏－北美香柏这两种主要的叶绿体类型间的重组以及朝鲜崖柏对北美香柏叶绿体基因的捕获。携带重组叶绿体DNA 的杂交个体迁入北美西部，产生了北美乔柏。根据分子钟估算结果，该迁移事件可能发生在中新世。 鉴于以往对东亚—北美间断分布植物类群的分子系统学研究多基于单亲遗传的叶绿体基因和（或）PCR 直接测序的ITS 数据，这些类群中的网状进化事件可能被低估。同时，我们的结论也部分解释了为什么东亚、北美东部、北美西部三者间的关系存在很多争议：频繁的杂交和渐渗模糊了种间的系统发育关系。因此，我们建议在生物地理学研究中用来源于多个基因组的多基因分析，特别是用单/低拷贝核基因。 2、广义柏科4CL 基因进化的初步研究 广义柏科是松杉类植物中唯一在南、北半球广泛分布的类群，该科中既有古老的孑遗属和寡种属，也有第三纪起源、呈南北半球间断分布的类群。研究4CL 基因在这一类群中的进化，有助于探讨低拷贝核基因在松杉类植物中的进化式样和规律。4CL 在植物次生化合物的生物合成中起重要作用，它催化激活4-香豆酸和一些相关的底物形成不同的辅酶A，促进各种苯丙烷类的代谢。 我们从广义柏科 17 个属中扩增并克隆到23 条4CL 基因序列。基因结构和系统发育分析表明，4CL 在广义柏科中分为4CLI 和4CL II 两大类，二者间的序列相似性为67-70％，进化速率也有很大差异。RT-PCR 结果证明这两种类型均能转录，推测它们都具有功能，且基因结构的差异和序列之间的高度分化暗示这两大类可能执行不同的功能。在4CL 基因树中，落羽杉亚科、北美红杉亚科、狭义柏科的单系都得到了支持。尽管4CL 在广义柏科中的类型及拷贝数还有待研究，但4CLI 很可能以单拷贝或低拷贝存在，其高变的内含子序列可以用来探讨种间的系统发育关系。

伞形科囊瓣芹属的系统学研究

囊瓣芹属Pternopetalum Franchet是伞形科Apiaceae/Umbelliferae芹亚科Apioideae芹族Apieae重要成员。全属包括约32个分类群（包括变种），分布于南朝鲜、日本、中国的西南部和邻近的喜马拉雅地区，中国西南部的横断山区是其多样性中心。典型的东亚特有格局和对东亚亚热带森林环境的偏爱是其东亚区系故有份子的特征。 基于19个标本馆标本材料、野外调查以及相应的实验证据，本博士论文从三个研究主题对囊瓣芹属展开了全面而系统的研究。一是通过标本观察和野外调查，利用标本管理系统BRAHMS和表型分析软件包DELTA系统，完成了囊瓣芹属的世界性分类修订；二是基于上述的分类方案，选择伞形科其它属的44个种作为参考性类群（Reference taxa），利用Winclada, NONA和MESQUITE软件包开展了分支系统学研究；三是基于坐标化的点分布数据，利用DIVA-GIS系统的生态位模型，进行潜在分布预测和生态地理分布特征的分析。研究的主要初步结论如下： 一、分类修订 根据对19个标本馆标本材料（包括85个模式采集）的考证，以及对云南、四川、贵州等地野外居群的观察，结合DELTA系统的表型分析，本研究确认囊瓣芹属包含14个种，提出了14个新异名，属下分为东亚囊瓣芹组Sect. I. Pteridophyllae H. Wolff和囊瓣芹组Sect. II. Pternopetalum H. Wolff两个组的分类方案。前者包括东亚囊瓣芹P. tanakae (Sav. & Franchet) Hand.-Mazz.、高山囊瓣芹P. subalpinum Hand.-Mazz.、洱源囊瓣芹P. molle (Franchet) Hand.-Mazz.等5个种；后者包括五匹青P. vulgare (Dunn) Hand.-Mazz.、囊瓣芹P. davidii Franchet和澜沧囊瓣芹P. delavayi (Franchet) Hand.-Mazz.等9个种。萼齿、花柱基、和花柱的形态是区别两个组比较好的形态学特征。叶的着生位置、最终末回裂片的形状（是否异形）、分裂回数以及伞形花序着生的位置和果棱表面的附属构造是种间识别有用的检索特征。 二、系统发育分析 根据如上的14个种的分类方案，另外选取了伞形科小芹属Sinocarum H. Wolff、丝瓣芹属Acronema Falc. ex Edgew.和鸭儿芹属Cryptotaenia L.等10个属共44种作为参考类群，基于63个广义形态学性状和58个种的形态学矩阵，利用最大简约法对囊瓣芹属进行了分支分析。结果表明，囊瓣芹属的14个种与日本特有单型的仙洞草Chamaele decumbens (Thunb.)Makino.形成一个单独分支，处于分支图的基部位置。表明囊瓣芹属与鸭儿芹属有较近的亲缘关系。长枝吸引可能是造成Chamaele Miq.与东亚囊瓣芹分支的非正常聚合的原因。囊瓣芹属可能是单系内群，但它与Chamaele Miq.属间关系需要进一步研究。属下形成以五匹青P. vulgare和东亚囊瓣芹P. tanakae为代表的两个主干演化线。分支进化（Cladogenesis）在两个主干演化线形成了形态和地理上对称分布的“种对”。根据形态特征的变异和地理分布，这些“种对”分为三种类型：1、形态上多变而地理上广布的类型，以东亚囊瓣芹P. tanakae和五匹青P. vulgare为代表；2、形态上稳定地理上狭域特有的类型，以薄叶囊瓣芹P. leptophyllum (Dunn)Hand.-Mazz. 和川鄂囊瓣芹P. rosthornii (Diels) Hand.-Mazz.为代表；3、形态上趋同而多变，地理分布上几乎完全重叠的类型，以洱源囊瓣芹P. molle和澜沧囊瓣芹P. delavayi为代表。 性状状态的分析显示，属下形态特征的趋异具有较强的同朔性。不等长的伞辐和花梗，以及囊状的花瓣基部三个形态学特征可以标识包括仙洞草在内的囊瓣芹分支。祖征状态的重建表明，东亚囊瓣芹分支相对保留了更多的祖征，是属下相对原始的类型；五匹青分支是后期生境需求的特化，适应潮湿和荫蔽环境的衍生类型。 三、生态地理分布 基于1128个坐标化的点分布数据和生态位模型，利用地理信息系统软件包DIVA-GIS对囊瓣芹属的物种多样性、现代地理分布、潜在分布进行了分析。结果表明，二郎山-峨眉山地区以及重庆金佛山及其临近地区是囊瓣芹属的两个主要的多样性中心。分布区内局部尺度上的异常性多样性（Diversity abnormalies）可能有两个来源：一是高的异质性生境条件下物种形成速率的差异；二是中国西南山地的“冰原岛峰效应”（Nunataks），比如峨眉山和金佛山，对属的早期演化线成员所起到的“避难所”（Refuge）的作用。 所预测的潜在分布范围与观察到的地理分布范围是一致的，说明对特化的气候忍耐性是限制囊瓣芹属物种地理分布的主要因素。温度和降水的季节性变化对囊瓣芹属代表中的地理分布限制作用比较大。亚热带-高山针阔常绿林是属下物种比较适宜的生境。属的地理分布可能形成于中新世以后，生态位的保守性是解释囊瓣芹属东亚本土就地分化和多样化的原因。属的分布范围的形成可能经历了一个早期南退西进的过程，后期分布范围变化可能主要是东西方向上的迁移和扩展。喜马拉雅—横断山—峨眉山/金佛山/神农架—日本、南朝鲜一线是囊瓣芹属多样化过程中分布范围东西延伸的重要通道。喜马拉雅—中国西南—日本朝鲜亚热带森林植被的完整性和连续性是囊瓣芹属演化和分布区形成的基本条件。

An ecological characterization of the Stellwagen Bank National Marine Sanctuary Region: oceanographic, biogeographic, and contaminants assessment

The mission of NOAA’s National Marine Sanctuary Program (NMSP) is to serve as the trustee for a system of marine protected areas, to conserve, protect, and enhance their biodiversity, ecological integrity, and cultural legacy while facilitating compatible uses. Since 1972, thirteen National Marine Sanctuaries, representing a wide variety of ocean environments, have been established, each with management goals tuned to their unique diversity. Extending from Cape Ann to Cape Cod across the mouth of Massachusetts Bay, Stellwagen Bank National Marine Sanctuary (NMS) encompasses 2,181 square kilometers of highly productive, diverse, and culturally unique Federal waters. As a result of its varied seafloor topography, oceanographic conditions, and high primary productivity, Stellwagen Bank NMS is utilized by diverse assemblages of seabirds, marine mammals, invertebrates, and fish species, as well as containing a number of maritime heritage resources. Furthermore, it is a region of cultural significance, highlighted by the recent discovery of several historic shipwrecks. Officially designated in 1992, Stellwagen Bank became the Nation’s twelfth National Marine Sanctuary in order to protect these and other unique biological, geological, oceanographic, and cultural features of the region. The Stellwagen Bank NMS is in the midst of its first management plan review since designation. The management plan review process, required by law, is designed to evaluate, enhance, and guide the development of future research efforts, education and outreach, and the management approaches used by Sanctuaries. Given the ecological and physical complexity of Stellwagen Bank NMS, burgeoning anthropogenic impacts to the region, and competing human and biological uses, the review process was challenged to assimilate and analyze the wealth of existing scientific knowledge in a framework which could enhance management decision-making. Unquestionably, the Gulf of Maine, Massachusetts Bay, and Stellwagen Bank-proper are extremely well studied systems, and in many regards, the scientific information available greatly exceeds that which is available for other Sanctuaries. However, the propensity of scientific information reinforces the need to utilize a comprehensive analytical approach to synthesize and explore linkages between disparate information on physical, biological, and chemical processes, while identifying topics needing further study. Given this requirement, a partnership was established between NOAA’s National Marine Sanctuary Program (NMSP) and the National Centers for Coastal Ocean Science (NCCOS) so as to leverage existing NOAA technical expertise to assist the Sanctuary in developing additional ecological assessment products which would benefit the management plan review process.

An ecological characterization of Salt River Bay National Historical Park and Ecological Preserve, U.S. Virgin Islands

Salt River Bay National Historical Park and Ecological Preserve (hereafter, SARI or the park) was created in 1992 to preserve, protect, and interpret nationally significant natural, historical, and cultural resources (United States Congress 1992). The diverse ecosystem within it includes a large mangrove forest, a submarine canyon, coral reefs, seagrass beds, coastal forests, and many other natural and developed landscape elements. These ecosystem components are, in turn, utilized by a great diversity of flora and fauna. A comprehensive spatial inventory of these ecosystems is required for successful management. To meet this need, the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Biogeography Program, in consultation with the National Park Service (NPS) and the Government of the Virgin Islands Department of Planning and Natural Resources (VIDPNR), conducted an ecological characterization. The characterization consists of three complementary components: a text report, digital habitat maps, and a collection of historical aerial photographs. This ecological characterization provides managers with a suite of tools that, when coupled with the excellent pre-existing body of work on SARI resources, enables improved research and monitoring activities within the park (see Appendix F for a list of data products).

槽舌兰属的分子系统学研究兼叶表皮研究

槽舌兰属为(Holcoglossum schltr.)兰科树兰亚科万代兰族指甲兰亚族植物，大部分种类为中国特有种，部分种类分布到越南、泰国、缅甸等国家和地区。本研究利用ITS、trnL-F和matK序列重建了槽舌兰属的系统树，在此基础上对其和植物地理进行了初步探讨并对该属植物的叶表皮特征演化进行了探讨。具体结果如下： 1．槽舌兰的分子系统学研究及分子植物地理学 对槽舌兰属的13个种的12个种进行了取样（H. quasipinifolium未包括），而横断山地区所有已知的槽舌兰属植物的居群进行了取样，共有25个取样代表了槽舌兰属。运用ITS、trnL-F和matK序列重建了槽舌兰属的系统树。槽舌兰属得到了很强的单系支持，并且分为了从南到北的三个分支，其中高山类群得到了很强的支持，尽管该类群内部系统关系没有得到解决。本研究推测槽舌兰属是从南部的热带地区向北部扩散，并在横断山地区辐射分化。槽舌兰高山类群的辐射分化和该地区的迅速隆起密切相关。 2．槽舌兰属的叶表皮演化 在光学显微镜下和电子显微镜下，观察了21个代表槽舌兰属8个种以及5个来自Vanda concolor和 Aerides ordorata的叶表皮样品的常规特征，包括表皮细胞的形状，密度，垂周壁式样，气孔类型，气孔指数，气孔长/宽（L/W）, 气孔大小等等。槽舌兰属的气孔除H. omeiense外，其它上、下表皮均有气孔分布，是比较进化的类型。表皮细胞为多边形，垂周壁平直或弓形。槽舌兰属的上表皮细胞都大于下表皮的细胞。与万代兰族的其它类群相似。结果表明，气孔类型和气孔指数与属的系统发育关系一致，可以作为一个很好的特征。 3．槽舌兰属高山组的物种形成初探 槽舌兰属高山组植物在形态上、传粉系统以及生境都有了很大的分化，但该类群在分子序列上却几乎没有区别，本文推测该类群是近期的辐射分化形成的。

Mapping the shallow-water coral ecosystems of the Freely Associated States: an implementation plan

This Freely Associated States Shallow-water Coral Ecosystem Mapping Implementation Plan (FAS MIP) presents a framework for the development of shallow-water (~0–40 m; 0–22 fm) benthic habitat and possibly bathymetric maps of critical areas of the Freely Associated States (FAS). The FAS is made up of three self-governing groups of islands and atolls—the Republic of Palau (Palau), the Federated States of Micronesia (FSM), and the Republic of the Marshall Islands (RMI)—that are affiliated with the United States through Compacts of Free Association. This MIP was developed with extensive input from colleges, national and state regulatory and management agencies, federal agencies, non-governmental organizations, and individuals involved in or supporting the conservation and management of the FAS’s coral ecosystems. A list of organizations and individuals that provided input to the development of this MIP is provided in Appendix 1. This MIP has been developed to complement the Coral Reef Mapping Implementation Plan (2nd Draft) released in 1999 by the U.S. Coral Reef Task Force’s Mapping and Information Synthesis Working Group. That plan focused on mapping United States and FAS shallow-water (then defined as <30 m) coral reefs by 2009, based on available funding and geographic priorities, using primarily visual interpretation of aerial photography and satellite imagery. This MIP focuses on mapping the shallow-water (now defined as 0–40 m, rather than 0–30 m) coral ecosystems of the FAS using a suite of technologies and map development procedures. Both this FAS MIP and the 1999 Coral Reef Mapping Implementation Plan (2nd Draft) support to goals of the National Action Plan to Conserve Coral Reefs (U.S. Coral Reef Task Force, 2000). This FAS MIP presents a framework for mapping the coral ecosystems of the FAS and should be considered an evolving document. As priorities change, funding opportunities arise, new data are collected, and new technologies become available, the information presented herein will change.

Mapping southern Florida's shallow-water coral ecosystems: an implementation plan

The Southern Florida Shallow-water Coral Ecosystem Mapping Implementation Plan (MIP) discusses the need to produce shallow-water (~0-40 m; 0-22 fm) benthic habitat and bathymetric maps of critical areas in southern Florida and moderate-depth (~40-200 m; 22 -109 fm) bathymetric maps for all of Florida. The ~0-40 m depth regime generally represents where most hermatypic coral species are found and where most direct impacts from pollution and coastal development occur. The plan was developed with extensive input from over 90 representatives of state regulatory and management agencies, federal agencies, universities, and non-governmental organizations involved in the conservation and management of Florida’s coral ecosystems. Southern Florida’s coral ecosystems are extensive. They extend from the Dry Tortugas in the Florida Keys as far north as St Lucie Inlet on the Atlantic Ocean coast and Tarpon Springs on the Gulf of Mexico coast. Using 10 fm (18 m) depth curves on nautical charts as a guide, southern Florida has as much as 84 percent (30,801 sq km) of 36,812 sq km of potential shallow-water (<10 fm; <18 m) coral ecosystems the tropical and subtropical U.S. Moreover, southern Florida’s coral ecosystems contribute greatly to the regional economy. Coral ecosystem-related expenditures generated $4.4 billion in sales, income, and employment and created over 70,000 full-time and part-time jobs in the region during the recent 12-month periods when surveys were conducted.

A biogeographic assessment of the Channel Islands National Marine Sanctuary: a review of boundary expansion concepts for NOAA’s National Marine Sanctuary Program

The priority management goal of the National Marine Sanctuaries Program (NMSP) is to protect marine ecosystems and biodiversity. This goal requires an understanding of broad-scale ecological relationships and linkages between marine resources and physical oceanography to support an ecosystem management approach. The Channel Islands National Marine Sanctuary (CINMS) is currently reviewing its management plan and investigating boundary expansion. A management plan study area (henceforth, Study Area) was described that extends from the current boundary north to the mainland, and extends north to Point Sal and south to Point Dume. Six additional boundary concepts were developed that vary in area and include the majority of the Study Area. The NMSP and CINMS partnered with NOAA’s National Centers for Coastal Ocean Science Biogeography Team to conduct a biogeographic assessment to characterize marine resources and oceanographic patterns within and adjacent to the sanctuary. This assessment includes a suite of quantitative spatial and statistical analyses that characterize biological and oceanographic patterns in the marine region from Point Sal to the U.S.-Mexico border. These data were analyzed using an index which evaluates an ecological “cost-benefit” within the proposed boundary concepts and the Study Area. The sanctuary resides in a dynamic setting where two oceanographic regimes meet. Cold northern waters mix with warm southern waters around the Channel Islands creating an area of transition that strongly influences the regions oceanography. In turn, these processes drive the biological distributions within the region. This assessment analyzes bathymetry, benthic substrate, bathymetric life-zones, sea surface temperature, primary production, currents, submerged aquatic vegetation, and kelp in the context of broad-scale patterns and relative to the proposed boundary concepts and the Study Area. Boundary cost-benefit results for these parameters were variable due to their dynamic nature; however, when analyzed in composite the Study Area and Boundary Concept 2 were considered the most favorable. Biological data were collected from numerous resource agencies and university scientists for this assessment. Fish and invertebrate trawl data were used to characterize community structure. Habitat suitability models were developed for 15 species of macroinvertebrates and 11 species of fish that have significant ecological, commercial, or recreational importance in the region and general patterns of ichthyoplankton distribution are described. Six surveys of ship and plane at-sea surveys were used to model marine bird diversity from Point Arena to the U.S.-Mexico border. Additional surveys were utilized to estimate density and colony counts for nine bird species. Critical habitat for western snowy plover and the location of California least tern breeding pairs were also analyzed. At-sea surveys were also used to describe the distribution of 14 species of cetaceans and five species of pinnipeds. Boundary concept cost-benefit indices revealed that Boundary Concept 2 and the Study Area were most favorable for the majority of the species-specific analyses. Boundary Concept 3 was most favorable for bird diversity across the region. Inadequate spatial resolution for fish and invertebrate community data and incompatible sampling effort information for bird and mammal data precluded boundary cost-benefit analysis.

A marine biogeographic assessment of the northwestern Hawaiian Islands

The mission of NOAA’s Office of National Marine Sanctuaries (ONMS) is to serve as the trustee for a system of marine protected areas, to conserve, protect and enhance biodiversity. To assist in accomplishing this mission, the ONMS has developed a partnership with NOAA’s Center for Coastal Monitoring and Assessment’s Biogeography Branch (CCMA-BB) to conduct biogeographic assessments of marine resources within and adjacent to the marine waters of NOAA’s National Marine Sanctuaries (Kendall and Monaco, 2003). Biogeography is the study of spatial and temporal distributions of organisms, their associated habitats, and the historical and biological factors that influence species’ distributions. Biogeography provides a framework to integrate species distributions and life history data with information on the habitats of a region to characterize and assess living marine resources within a sanctuary. The biogeographic data are integrated in a Geographical Information System (GIS) to enable visualization of species’ spatial and temporal patterns, and to predict changes in abundance that may result from a variety of natural and anthropogenic perturbations or management strategies (Monaco et al., 2005; Battista and Monaco, 2004). Defining biogeographic patterns of living marine resources found throughout the Northwestern Hawaiian Islands (NWHI) was identified as a priority activity at a May 2003 workshop designed to outline scientifi c and management information needs for the NWHI (Alexander et al., 2004). NOAA’s Biogeography Branch and the Papahanaumokuakea Marine National Monument (PMNM) under the direction of the ONMS designed and implemented this biogeographic assessment to directly support the research and management needs of the PMNM by providing a suite of spatially-articulated products in map and tabular formats. The major fi ndings of the biogeographic assessment are organized by chapter and listed below.