《昆明植物所植物区系进化历史研究获新进展》

  • 来源专题:生物科技领域知识集成服务
  • 编译者: 陈方
  • 发布时间:2020-04-08
  • 在栖息地丧失速度加快和全球气候变化情况下如何最大限度地保护生物多样性对于生物资源开发、环境保护等方面起着至关重要的作用。系统发育多样性由于其一定的优势(如与传统分类学相比能够识别进化历史对当代物种组合模式的某些影响等),成为生物多样性保护中的一个重要方面。近年来,植物系统学的发展及区域性生命之树的构建,为从进化历史的角度开展植物区系研究提供了良好的契机。
    2019年8月27日,中国科学院昆明植物所在Journal of Systematics and Evolution发文,以中国植物多样性最为丰富的地区云南为例,结合该地区野生被子植物的地理分布及其系统发育关系,探讨了分类群丰富度、系统发育多样性及系统发育多样性残差的空间分布格局,并在此基础上,融合历史生物地理学信息,揭示了云南被子植物区系的形成原因。结果表明:在属种水平上,云南被子植物区系的系统发育多样性与分类群丰富度相关性较高,其中,滇西北与滇南地区的植物区系具有较高的分类群丰富度与系统发育多样性;相对于分类群丰富度来说,滇西北植物区系的系统发育多样性比期望值低,且具有丰富的温带植物谱系,表明该区域植物区系的形成以就地演化(in situ diversification)为主;滇南植物区系的系统发育多样性比期望值高,并具有丰富的热带植物谱系,表明该地区植物区系的形成以迁移扩散为主。研究进一步提出为有效保护生物的多样性,不同进化过程的植物区系应采取不同的保护策略的观点。

相关报告
  • 《基因研究助力植物区系分区》

    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2018-06-25
    • 近日,中国科学院昆明植物研究所青藏高原—喜马拉雅植物多样性形成与演变大团队孙航研究组提出了“谱系地理区划”新概念,将谱系地理的研究结果与植物区系划分相结合,改变传统通过宏观认知植物区系划分,帮助人们更为精准地认识大自然。该研究成果已在线发表于国际期刊《遗传学前沿》。 植物区系划分 地球上现有的植物分布格局是历经不同起源与长期演变过程的结果。植物与古植物学家们一直不曾忽略植物起源和迁移过程等演化历史的证据。为了更加全面系统地了解植物分布规律,植物学家们将特定地区全部物种按科、属、种进行统计,然后按地理分布、起源地、迁移路线、历史成分和生态成分划分,这种划分被称之为“区系区划”。 “植物区系的形成是植物界在一定自然历史环境中发展演化和时空分布的综合反映。”中国科学院昆明植物研究所研究员孙航在接受《中国科学报》记者采访时解释说。因为某个特定区域的植物区系,不仅反映了这一区域中植物与环境的因果关系,而且反映了植物区系在地质历史时期中的演化脉络。“植物区系分区的目的在于把各个地域的不同区系,综合其形成的历史和地理的诸多因素,划分为不同的区域,从而为植物资源的开发、物种的引种、植物多样性的保护以及农、林、牧的远景规划提供科学依据。” 传统植物区系的划分主要是以植物分类单位的分布为主要依据,重点考虑各种等级的植物分类学单位,即科、属、种的分布状况及其在某一区域内的特有性程度。但是传统方法的局限性,很难客观地反映较小地理单元的区系区划合理性。 而今,伴随着分子生物学乃至基因组等学科的发展及相关技术的发展,孙航带领团队提出了“谱系地理区划”和“谱系地理小区”的新概念。“我们提出的谱系地理区划是在居群水平上,整合分子生物学和谱系地理学研究方法,基于遗传谱系结构,尤其是基因单倍型多样性分布格局以及地质历史和环境等多重证据进行区系分区。”另外,孙航表示,“谱系地理区划是传统的生物区系区划的深入和补充。” 突破口是康滇假合头菊 孙航的谱系地理区划构想,需要通过实际植物分布特点来验证。“而已有研究表明高山植物是研究山地植物区系划分的重要材料,而区域特有类群也利于研究材料的采集和分析,恰好,康滇合头菊符合这些特性,这类植物是分布于我国喜马拉雅—横断山区高山冰缘带的特有草本植物。”孙航说。 康滇合头菊所属的假合头菊属早在2011年就由孙航研究团队的张建文博士确立为喜马拉雅—横断山区特有属。假合头菊属康滇合头菊是分布于我国喜马拉雅—横断山区的类群,其主要分布于高海拔流石坡、碎石地、沙地。一直以来,康滇合头菊与狭义合头菊属因为形态相似而被归为一类,但是,通过已有的细胞学、分子系统发育和形态学资料,尤其是瘦果形态的特征分析,研究人员发现两者有着明显的区别:康滇合头菊仍然属于形态并不相似的莴苣亚族,而狭义合头菊属却属于还阳参亚族。 鉴于这一研究成果,孙航带领团队开始了进一步对植物的精细划分。“我们几乎每年都有两三个月在青藏地区采样。”青藏高原—喜马拉雅植物多样性形成与演变大团队孙航研究组邓涛博士告诉记者。 邓涛与张建文是同组成员,他们经常工作的地点是在海拔3500米到4500米之间开阔地带。“因为康滇合头菊的根茎比较特殊,一般生长在比较裸露的地区。”张建文介绍说。有时遇到因为修路而变开阔的地区,他们寻找康滇合头菊的工作也会相对容易;但如果没有道路,寻找的过程也会变得异常艰难。 经过近十年的研究,研究组发现,传统的以金沙江、怒江、澜沧江三江峡谷亚地区作为一个天然的生物地理屏障的亚地区划分方式并不合适,因为康滇合头菊在北纬29度线南北形成了独立的两大谱系分支,分别拥有各自的特有单倍型,因此北纬29度线作为南、北横断山脉亚地区的分界线更为合理。 “新概念的提出在整合多学科证据验证后,才能保证结论的科学性和可靠性。”孙航表示。以往的植物区系分区是植物特有性为重要依据来划分的,但该指标在很多情况下,难以在植物区系的次级单位作准确的划分,“现在,我们的研究促进了植物区系区划的定量化和精细化,为深入探讨植物多样性的起源、形成机制以及我国植物多样性精准保护和规划制定提供重要的参考依据。”孙航说。 作为喜马拉雅—横断山区高山冰缘带的特有的草本植物,康滇假合头菊可以作为反映这一区域内不同物种的地质历史和环境演变过程的代表。不过,康滇假合头菊仅是“谱系地理区划”的开始。“因为一个物种只能客观反映出部分区域或区域内部分小区,只有更多的物种证据才能完成一个区域相对科学和完整的区系区划。”孙航表示。 接下来,研究团队将继续整合多类群,运用谱系地理区划方法,基于谱系地理小区概念进行中国的区系区划的深入研究。“这对全面了解我国植物区系及植物多样性精准保护和规划制定十分必要。”孙航说。
  • 《昆明植物所等在杜鹃花属系统发育与多样化历史研究中获进展》

    • 来源专题:转基因生物新品种培育
    • 编译者:姜丽华
    • 发布时间:2022-10-31
    •   杜鹃花属(Rhododendron)是北半球最大的木本植物属,也是我国种子植物最大的属,在全球有1000余种,其中中国约590种。快速辐射演化和频繁的自然杂交事件使得杜鹃花属分类和系统发育研究存在挑战性。横断山和喜马拉雅地区是全球杜鹃花属植物分布和分化中心之一,拥有该属物种320余种,其中约三分之二为区域特有种。因此,杜鹃花属在横断山和喜马拉雅地区的多样化历史备受关注。   近日,中国科学院昆明植物研究所高连明团队/李德铢团队与英国爱丁堡大学博士Richard Milne、爱丁堡皇家植物园教授Peter Hollingsworth合作,对杜鹃花属物种进行广泛取样,获得了杜鹃花属全部8亚属12组共161个物种的浅层基因组数据,包含该属在横断山和喜马拉雅地区约45%的物种。该研究基于叶绿体基因组数据,通过系统发育重建、分化时间估算和物种多样化速率等分析探究了杜鹃花属的系统发育关系和多样化历史。   研究表明,叶绿体基因组能够较好地解决杜鹃花属的亚属间和多数物种间的系统发育关系。与前期基于叶绿体基因组和核基因组数据推断的系统发育比较,研究发现杜鹃花属包括13个稳定的单系分支;核和质体系统发育之间的强烈冲突则表明,深度分支可能发生过杂交/基因渐渗等网状进化事件。叶状苞杜鹃亚属(R. subg. Therorhodion)在始新世(约56 Mya)分化出来,经过始新世和渐新世(约32 Mya)的地史变迁,在中新世早期(23.8 ~ 17.6 Mya)一个相对较短的时期(约6 Mya之内)快速多样化形成了核心杜鹃属(共12个分支)的10个支系。以横断山和喜马拉雅地区为分化中心的两个亚属(代表了区域内90%以上的物种)多样化历史各不相同。杜鹃花亚属(R. subg. Rhododendron)在中新世早期(20.1 Mya)起源,多样化速率在随后(约16.6 Mya)显著增加,此后(约13.7 Mya)再分化出适应高海拔(Clade RH)和适应低海拔(Clade RL)的两个分支,这与横断山-喜马拉雅山脉中新世中期(约17 ~ 14 Mya)持续的地质构造事件并隆升至接近现今海拔高度相吻合。持续活跃的造山运动、气候变冷和亚洲夏季风加剧等因素导致的复杂地形、异质生境和扩散障碍等,促进了这两个分支发生平行的辐射物种形成。另一个以横断山和喜马拉雅地区为分化中心的亚属常绿杜鹃亚属(R. subg. Hymenanthes)则起源于中新世早期稍后(19.5 Mya),其冠群在中新世晚期(约10 Mya)开始分化,且多样化速率开始时较缓慢,而在早上新世(约5 Mya)扩散到横断山-喜马拉雅地区后发生快速辐射分化成种,其净多样化速率是杜鹃花亚属的近5倍。这可能是亚属常绿杜鹃亚属在横断山和喜马拉雅地区的扩散所致,同时,上新世的全球气候变冷和季风加强可能直接影响它的分化速率。常绿杜鹃亚属虽有一些分支仅包含适应高海拔的物种,但多数分支同时具有适应低海拔和高海拔的物种;与杜鹃花亚属相比,其海拔偏好可塑性更强,表明该亚属多样化过程中具有较强的生态可塑性。该研究对理解横断山-喜马拉雅地区的物种多样化形成历史与适应性进化提供了重要的研究案例。   相关研究成果以Resolution, conflict and rate shifts: insights from a densely sampled plastome phylogeny for Rhododendron (Ericaceae)为题,发表在Annals of Botany上。研究工作得到中国科学院战略性先导科技专项(B类)、国家自然科学基金、云南省基础研究计划重大项目及云南省博士后定向培养资助项目的支持。