桦木科植物的系统发育和地理分布

本文对桦木科植物的研究历史作了详细的总结;在钻研文献的基础上，补充了部分系统学资料，使得花序、花、花粉、叶表皮等各类性状能够在属间进行比较，根据外类群比较、和谐性分析等原则确定了性状的演化极性，利用最大同步法和最小平行演化法对桦木科植物进行了分支分析;对各属的现代分布和地史分布作了描述，在此基础上，讨论了桦木科植物的分布中心、起源地、起源的时间和散布的途径;在第四章，作者试图回到遥远的晚白垩纪和早第三纪，从描绘桦木科植物起源和早期分化的古地理和古气候背景入手，分析了在这种背景下桦木科植物所发生的空间辐射以及植物体本身所产生的形态进化，以求得对桦木科植物起源、散布和分化作出比较合理的解释;最后对桦木科组以上的等级作了分类处理。全文包括五个部分，主要的结论如下： 1、分支分析：广泛阅读桦木科、壳斗科和南青冈科的文献，详细研究中国科学院植物研究所标本馆所藏的桦木科植物的标本。首先以壳斗科和南青冈科作为外类群对各类性状进行了分析，得到一个由22个性状组成的数值矩阵;接着又对上述的22个性状作了和谐性分析，结果有7个性状的CN>O,2，其中3个性状在调整性状状态后被保留，有4个性状在颠倒极性和调整性状状态后仍不和谐被去除．最后得到由18个性状组成的矩阵，该矩阵和谐性检验的结果是：所有性状的KN值和CN值均为O，将此矩阵用最大同步法和最小平行演化法进行分支分析，得到一个相同的分支图。分支图用了19个演化步数，与矩阵的最小步数相同，较好地反映了桦木科植物的属间关系。分支图说明：桤木属是从桦木科植物的祖先中最早分出的一个分支，几乎保留了祖先所有的原始性状;桦木属和桤木属近缘，但并非姊妹群;榛届在桦木科中占有特殊的地位，是桦木科植物的原始类群向进化类群演化的中间纽带;虎棒子属是榛属向鹅耳枥属和铁木属进化过程中分化出的一支;铁木属和鹅耳枥属为姊妹群，在桦木科植物中演化水平最高。 2、地理分布：地理分布分析是以经典分类、系统发育和古植物学三方面的资料为基础，根据生物进化的时、序、空相互统一的观点来讨论的。 根据Takhtajan (1978)对世界植物系的分区，认为：东亚区分布6属、13组、77种，占桦木科植物全部种类的59%，为第一分布中心;大西洋一一北美区分布5属。8组、20种，为第二分布中心;环北方区分布5属、8组，35种，是桦木科植物分化的重要地区。在中国，根据吴征镒(1979)对中国植物区系的分区，认为：中国一一日本森林亚区和中国一一喜马拉雅亚区在种数，组数和属数的分布上分别位居第一和第二。四川及其毗邻省区分布6属、52种，占全部中国种类的70, 3%，是中国桦木科植物的分布中心。 桦木科最早的化石记录是具多个角萌发孔并有带状加厚的桤木粉，发现于日本桑托期．随之这类花粉和另外一种花粉类型：副桤木粉（有微弱带状加厚的三孔粉）在欧亚大陆和北美的地层中便开始普遍起来;可能的桤木属植物的叶子发现于白垩纪最晚期，而可辨认的果序的记录则开始于古新世． 8孔的具带状加厚的桦粉最早见于日本的坎佩尼期，而缺少带状加厚的拟桦粉最早发现于中国内蒙古的梅斯特利克蒂期，以上两类花粉均和现代桦木属植物的花粉相似;可归于同一个化石植物Betula leopoldae的叶子、雄花序，果序和果实的化石发现于加拿大大不列颠哥伦比亚的中始新世地层中。基于果实化石的榛属植物的最早记录发生在欧洲和北美古新世;被认为和榛属有亲缘关系的绝灭属——古鹅耳枥属的叶子，果序和雄花序的化石发现于古新世和始新世;开始见于中国梅斯特利克蒂期的拟榇粉和最早发现于苏格兰古新世的米勒三孔粉也均和榛属植物有关。基于可辨认的花粉和果苞的化石，鹅耳枥属和铁木属分别在晚始新世和早渐新世有了最早的化石记录． 最后根据化石证据和现代地理分布特征提出：以四川为中心的中国中部地区是桦木科植物起源和早期分化的中心;最早的桦木科植物生活在晚白垩纪桑托期，桤木属、榇属、桦木属可能在白垩纪最晚期或古新世时就已经出现了，而最迟不晚于中始新世;鹅耳枥属和铁木属的形成均不晚于晚始新世，到渐新世时，除虎榛子属外，桦木科其它各属均广泛分布在北半球。 3、进化分析：桦木科植物起源和早期演化的晚白垩纪和早第三纪在古地理和古环境方面主要有四个特点：(1)地球板块相对稳定;(2)气候相对一致，区带环流是大气环流的基本成份; (3)恐龙绝灭，哺乳动物作为传播媒介变得重要起来; (4)风媒和虫媒植物共荣。桦木科植物就是在上述背景下起源的。桤木属蒙自桤木组和桤木组最早从祖先类群中分化出来，接着一方面较缓慢地向欧洲散布，并在古新世到达欧洲;另一方面，向中国东北地区散布，然后迅速地扩散到了北极地区，通过白令陆桥在白垩纪最晚期到达了北美。从北美西北部和从欧洲通过大西洋北极陆桥散布到北美东部的桦木科植物在始新世时汇合，形成第二个分化中心。虎榛子属、鹅耳枥属和铁木属植物的大量分化很可能是从全球气候恶化的渐新世开始的，并在分化的同时伴随着其它的桦木科植物向南迁移。桤木属在渐新世时就散布到了当时位于中国东南部的加里曼丹岛;桤木属、鹅耳枥属和铁木属中新世时散布到了墨西哥和中美洲;第四纪冰期加速了桦木科植物的南移，桤木属到达非洲北部和南美洲，桤木属和鹅耳枥属到达台湾岛均发生在更新世。 在环境的选择压力下，桦木科植物经历了一系列的形态演化，作者将这些演化归纳成34个进化趋势。为了对桦木科植物可能祖先的大概轮廓有一个认识，我们又从34个进化趋势中总结出桦木科植物的11个原始特征，并且认为这些特征中的大多数应该是它的祖先拥有的。 (1)裸芽有柄。 (2)气孔器为轮列型或无规则型。 (3)木材具管胞，导管有螺旋加厚，为梯状穿孔。 (4)雌、雄花序共生成总状花序，雄花序位于上部。 (5)花序两性。 (6)雄花序有梗、裸露过冬。 (7)小聚伞花序由多个花组成，苞片多数。 (8)花两性，有花被，子房3室。 (9)花药药室木分离，花丝也不分叉。 (10)花粉粒4-5孔;孔具孔室;孔间有带状加厚;外壁较厚，在孔处翘起并加厚。 (11)具翅坚果小型。 本文提出桦术科植物不可能起源于现存的壳斗科植物，而两者有可能共祖，它们共同的祖先和正型粉类复合群有关，可能来源于正型粉类复合群的某些成员，那么‘正型粉类复合群是否就是金缕梅目和壳斗目进行的中间链环呢?’本文仅作为一个问题提出，而未作回答。 4、系统分类：根据分支分析和表征分类的结果，桦木科是非常自然的一个类群，科内表现出从原始到高级的演化次序并具有三条主要的演化路线。因此，将桦木科划分为三个族与科内的三条演化线相一致，比较符合其属间的系统发育关系。按照各属的变异程度，进一步在桦木族和鹅耳枥族之下分别设立两个亚族。此外在桦木科植物属之下共确立了13个组。桦木科组以上的系统排列为： Betulaceae S. F. Gray Trib. 1. Betuleae Subtrib. 1. Alninae Z. D. Chen subtrib. nov. Alnus Mill. Sect. 1. Clethropsis ( Spach ) Endl. Sect. 2. Alnus Sect. 3. Cremastogyne H. Winkl, Sect. 4. Alnobetula W. D. Koch Subtrib. 2. Betulinae Betula L. Sect. 1. Betulaster ( Spach ) Regel Sect. 2. Betula Sect. 3. Costatae Regel Sect. 4. Chinenses ( Nakai ) Z. D. Chen comb. et stat.nov. Sect. 5. Humiles W.D.Koch Trib. 2. Coryleae Aacheraon Corylus L. Sect. 1, Acanthochlamys Spach Sect. 2. Corylus Trib. 3. Carpineae A. DC. Subtrib. 1. Ostryopsinae Z. D. Chen subtrib. nov.Ostryopsis Dence. Subtrib. 2. Carpininae Ostrya Scop. Carpinus L. Sect. 1. Distegocarpus ( Sieb. et Zucc. ) Sarg. Sect. 2. Carpinus

中国普通野生稻（Oryza rufipogon Griff.）群体遗传学及保护策略的研究

普通野生稻的基因资源对水稻的育种已经起过并将继续起至关重要的作用。所以，研究和保存其遗传多样性具有重要的意义。首先对普通野生稻在我国的分布现状作了较为全面的野外调查。采集了69个群体，近2000个个体的硅胶干燥叶片。研究了从硅胶干燥的小量叶片中高效率、高质量制备DNA的方法。并用此方法制备了44个代表群体，1168个个体的总DNA，建立了中国普通野生稻的总DNA库。随机选取19个引物对29个群体、651个个体的总DNA进行了RAPD扩增。统计出群体和地区内的多态性片段百分比（PPB），RAPDistance和WINAMOVA程序联用分析遗传变异在地区间、地区内群体间和群体内的组成。广西濠江流域5个野生群体的分析结果表明了中下游群体的PPB值显著高于中上游群体。从而从分子水平上证实了水流对无性繁殖体的传播影响了沿江分布群体的遗传多样性和遗传结构。6个现有原位保护群体的分析结果说明了5个群体值得进一步原位保护，而另一个群体适合异位保护。中国境内29个群体的统计分析揭示出群体间的遗传多样性差异很大（PPB值从23.29%到46.18%）。广东具有的PPB值最高（79.12%），其次是海南（77.11%）和广西（68.67%）。因而，华南是我国普通野生稻的遗传多样性中心。18个群体AMOVA分析结果均表明了遗传变异主要存在于群体内，但群体间业已有较大的遗传分化。从175个随机引物中筛选出9个引物，成功地鉴定出5个群体的克隆多样性和克隆结构。这二者与群体的生态环境，特别是水分状况密切相关。也同时受人类干扰强度的影响。而与群体所处的纬度没有明显的相关性。 根据以上结果，普通野生稻原位保护的策略是选取分布在不同地理区域、遗传多样性水平高的群体。分布在广东、海南和广西的6个群体，具有很高的遗传多样性，建议加以原位保护。此外，孤岛状隔离在我国普通野生稻分布区边缘的3个小群体也应立即进行原位保护。此外，原位保护的群体应给予适度的干扰以维系较高的克隆多样性和遗传多样性。在进行遗传多样性研究和异位保护时，每群体的取样个体数应不少于25株，相邻取样个体间的距离应大于12米。

东亚—北美间断分布类群的分子生物地理学研究—以莲科和菖蒲科为例

在洲际间断生物地理学研究中，东亚—北美间断分布类群的分子生物地理学研究一直是关注和研究的热点。在本论文中我们选取了水生和半水生的植物代表类群，莲科（Nelumbonaceae）和菖蒲科（Acoraceae）作为研究对象，通过来自叶绿体、线粒体和核基因组的DNA 序列分析和微卫星分析，一方面探讨莲科的系统位置、揭示其间断地理格局的形成过程、重建菖蒲科的系统发育及其地理格局的形成过程的同时，另一方面，在总结前人研究成果的基础上，总结东亚—北美间断分布的基本特点。主要成果总结如下。 1. 菖蒲科的系统发育和分子生物地理学 菖蒲科仅含一属，菖蒲属（Acorus），共5 种。其中北美菖蒲（A. americanus） 分布于北美，其余4 种（A. calamus, A. gramineus, A. tatarinowii and A. rumphianus） 分布于亚洲的东部和南部。北美菖蒲和菖蒲（A. calamus）叶片中间具有明显的中肋；其余3 种不具有明显的中肋。本论文的19 份材料包含了4 个种，（不含较狭域分布的长苞菖蒲A. rumphianus），利用4 个叶绿体基因片段（trnL-F, psbA-trnH, rps16-trnK, rbcL）和1 个核基因片段（ITS）的序列重建菖蒲属的系统发育。结果表明（1）具有中肋和不具中肋的物种各自聚为一支；（2）具有中肋的菖蒲和北美菖蒲亲缘关系最近，构成东亚—北美间断种对关系；（3）在不具有中肋的一支内部，来自台湾的材料与其它材料差异最大，其余的材料也明显的分为了两类。基于rbcL 序列，使用松散分子钟模型、贝叶斯算法估算菖蒲属起源时间约为135.17 百万年（mya），菖蒲和北美菖蒲的间断分歧时间约为3.72mya。该结果支持菖蒲属为古老的单子叶植物，但东亚—北美间断物种分化时间较年轻。我们推测间断的种对可能通过白令陆桥，从东亚扩散到了北美。 2. 莲科的系统位置和分子生物地理学 莲科仅含一属，莲属（Nelumbo），两个种莲（N. nucifera）和美洲黄莲（N. lutea），间断分布于东亚、澳大利亚北部和北美东部。莲科的系统位置在形态和分子证据不一致。本论文使用了核基因18S rDNA、26S rDNA，叶绿体基因atpB、rbcL，线粒体基因NAD1 的序列重新构建莲科的系统位置并进行了分化时间推算。结果为：（1）叶绿体和核基因构建的严格一致树的拓扑结构不一致，叶绿体数据支持莲科和山龙眼科、悬铃木科具有较近的亲缘关系，核基因数据显示莲科位于真双子叶植物的基部；（2）5 个基因片段的合并分析结果显示，莲科与山龙眼科、悬铃木科聚为一支但支持率不高；（3）基于核基因、叶绿体和5 个基因的分别合并数据，使用松散分子钟模型、贝叶斯算法估算莲科起源时间分别为，113.13 、109.38 和110.35mya ，两个间断物种的分化时间为，3.77、4.34、5.85mya；（4）根据间断的时间和两个物种的遗传差异程度，现存的两个物种应是来自于东亚或北美的冰期残遗，而不是来自于两个大陆祖先种的独立进化后裔。 3. 莲的分子谱系地理学研究 我们采集了37 份莲的材料，10 份美洲黄莲的材料，代表了两者的主要分布区。我们选取了叶绿体基因（trnL-trnF, trnS-trnG, petB-petD 和psbA-trnH），线粒体基因COX1，以及11 个微卫星位点进行莲的分子谱系地理研究。DNA 序列显示莲和美洲黄莲均具有很低的遗传多样性；微卫星数据揭示了稍高于DNA 序列的遗传多样性。两物种相比，美洲黄莲的多样性较高。基于微卫星数据的遗传结构分析表明，莲存在明显的3 个地理分化区域，这三个区域的遗传分化显著（FST=0.542），说明莲远距离群体间基因交流有限。基于DNA 序列和微卫星数据的单倍型地理分布关系，我们推测东南亚地区是莲的避难所或冰期残遗区，冰期后群体分别向西和向北扩张。 4. 东亚—北美间断分布的一般特点 （1）东亚—北美东部间断分歧时间范围较长，从始新世中期甚至更早一直持续到1mya 左右；东亚—北美西部间断类群分化时间跨度相对小，集中在中新世时期；东亚—整个北美间断分化时间与东亚—北美东部间断类群一样经历较长时间；草本类群晚于木本类群形成间断分布式样，洲际间断分化时间与类群的起源时间并无相关性。（2）东亚与北美间断分布类群的起源地因类群而异。（3） 东亚与北美间断分布类群扩散方向呈不确定性。（4）东亚与北美间断类群扩散有三条可能的路径，即大西洋陆桥、白令陆桥和南半球跨洋长距离传播。

Mapping reef fish and the seascape: using acoustics and spatial modeling to guide coastal management

Reef fish distributions are patchy in time and space with some coral reef habitats supporting higher densities (i.e., aggregations) of fish than others. Identifying and quantifying fish aggregations (particularly during spawning events) are often top priorities for coastal managers. However, the rapid mapping of these aggregations using conventional survey methods (e.g., non-technical SCUBA diving and remotely operated cameras) are limited by depth, visibility and time. Acoustic sensors (i.e., splitbeam and multibeam echosounders) are not constrained by these same limitations, and were used to concurrently map and quantify the location, density and size of reef fish along with seafloor structure in two, separate locations in the U.S. Virgin Islands. Reef fish aggregations were documented along the shelf edge, an ecologically important ecotone in the region. Fish were grouped into three classes according to body size, and relationships with the benthic seascape were modeled in one area using Boosted Regression Trees. These models were validated in a second area to test their predictive performance in locations where fish have not been mapped. Models predicting the density of large fish (≥29 cm) performed well (i.e., AUC = 0.77). Water depth and standard deviation of depth were the most influential predictors at two spatial scales (100 and 300 m). Models of small (≤11 cm) and medium (12–28 cm) fish performed poorly (i.e., AUC = 0.49 to 0.68) due to the high prevalence (45–79%) of smaller fish in both locations, and the unequal prevalence of smaller fish in the training and validation areas. Integrating acoustic sensors with spatial modeling offers a new and reliable approach to rapidly identify fish aggregations and to predict the density large fish in un-surveyed locations. This integrative approach will help coastal managers to prioritize sites, and focus their limited resources on areas that may be of higher conservation value.

Cruise report: regional assessment of ecosystem condition and stressor impacts along the northwestern Gulf of Mexico Shelf. NOAA Ship 'Nancy Foster' NF-11-07-RACOW (August 8-16, 2011)

This cruise report is a summary of a field survey conducted along a portion of the U.S. continental shelf in northwestern Gulf of Mexico (GOM), at navigable depths along the coastline seaward to the shelf break (~100m) from about 89°30' W to 95°28' W longitude, August 8 – 16, 2011 on NOAA Ship Nancy Foster Cruise NF-11-07-RACOW. Synoptic sampling of multiple ecological indicators was conducted at each of 34 stations throughout these waters using a random probabilistic sampling design. The original study design consisted of 50 stations extending from the Mississippi delta all the way to the U.S./Mexican border, but vessel failures precluded sampling at 16 stations within the western-most portion of the study area. At each station samples were collected for the analysis of benthic community structure and composition; concentrations of chemical contaminants in sediments and target demersal biota; sediment toxicity; nutrient and chlorophyll levels in the water column; and other basic habitat characteristics such as salinity, temperature, dissolved oxygen, turbidity, pH, sediment grain size, and organic carbon content. Other indicators, from a human-dimension perspective, were also recorded, including presence of vessels, oil rigs, surface trash, visual oil sheens in sediments or water, marine mammals, or noxious/oily sediment odors. The overall purpose of the survey was to collect data to assess the status of ecosystem condition and potential stressor impacts throughout the region, based on these various indicators and corresponding management thresholds, and to provide this information as a baseline for determining how such conditions may be changing with time. While sample analysis is still ongoing, some preliminary results and observations are reported here. A final report will be completed once all data have been processed.

Development, validation, and utilization of a competitive enzyme-linked immunosorbent assay for the detection of antibodies against Brucella species in marine mammals

A competitive enzyme-linked immunosorbent assay (cELISA) was developed by using a whole-cell antigen from a marine Brucella sp. isolated from a harbor seal (Phoca vitulina). The assay was designed to screen sera from multiple marine mammal species for the presence of antibodies against marine-origin Brucella. Based on comparisons with culture-confirmed cases, specificity and sensitivity for cetacean samples tested were 73% and 100%, respectively. For pinniped samples, specificity and sensitivity values were 77% and 67%, respectively. Hawaiian monk seal (Monachus schauinslandi; n = 28) and bottlenose dolphin (Tursiops truncatus; n = 48) serum samples were tested, and the results were compared with several other assays designed to detect Brucella abortus antibodies. The comparison testing revealed the marine-origin cELISA to be more sensitive than the B. abortus tests by the detection of additional positive serum samples. The newly developed cELISA is an effective serologic method for detection of the presence of antibodies against marine-origin Brucella sp. in marine mammals.