Geographic Isolation between the Homoploid Hybrid Pinus densata and Its Parental Pinus yunnanensis

2011·1.9 MB·

by  Liu Yong-Liang-

植 物 分 类 与 资 源 学 报 ,33 ( ):
摇 2011 3 269~274
Plant Diversity and Resources :
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 DOI 10.3724/SP.J.1143.2011.10227
同倍杂交种高山松与亲本种云南松的地理隔离研究
*
刘永良1, 毛建丰2, 王晓茹2, 李 悦1**
摇
北京林业大学林木育种国家工程实验室 教育部林木花卉遗传育种重点实验室 北京
(1 , , 摇 100083;
中国科学院植物研究所系统与进化植物学国家重点实验室 北京
2 , 摇 100093)
摘要: 为了探讨横断山区同倍杂交种高山松与其亲本种云南松的地理隔离机制 采用实际的路线踏查方
,
法 调查了高山松和云南松群体的地理分布情况和开花物候特征 并基于 个气象因子进行了聚类分析
, , 7 。
调查研究表明高山松和云南松群体分布在不同的地貌类型中 以云南中甸为临界区 沿着金沙江河谷向北
, ,
分布高山松 向南分布云南松 云南松的开花物候日期明显早于高山松 聚类分析表明两个物种分别聚为
, 。 ,
一支 在地质历史过程中 高大山系的形成以及海拔的升高将高山松和云南松从地理上隔离开来 两物种
。 , ,
的适生区的气象因子的差异造成花期不遇 从而阻碍了两个物种间的基因交流 进而隔离开来
, , 。
关键词: 高山松 云南松 地理分布 物候 生态分化 隔离
; ; ; ; ;
中图分类号: 文献标识码: 文章编号:
Q948.2摇 摇 摇 摇 摇 摇 A摇 摇 摇 摇 摇 摇 2095-0845(2011)03-269-06
Geographic Isolation between the Homoploid Hybrid
Pinus densata and Its Parental Pinus yunnanensis
1 2 2 1**
LIU Yong鄄Liang , MAO Jian鄄Feng , WANG Xiao鄄Ru , LI Yue
LaboratoryofGeneticsandBreedinginForestTreesandOrnamentalPlants NationalEngineeringLaboratoryofForestryBreeding
(1 , ,
BeijingForestryUniversity StateKeyLaboratoryofSystematicandEvolutionaryBotany
,Beijing100083,China;2 ,
InstituteofBotany ChineseAcademyofSciences
, ,Beijing100093,China)
Abstract Pinus densata
: In order to elucidate the geographic isolation mechanisms between the homoploid hybrid
Pinus yunnanensis
and its parental in the Hengduan Mountains, we investigated the geographical distribution and
P.densata P.yunnanensis
floweringphenologyofthepopulationsof and bytheactualroutesurvey. Theclusteranal鄄
P.densata P.yunnanensis
ysiswasbasedonsevenmeteorologicalfactors. Theresutlsshowedthat and weredistribu鄄
ted in different landscapes, andZhongdianwhichlocatedinYunnanProvincewasthedistributioncriticalregionbe鄄
P. densata P. yunnanensis
tween the two species. was distributed northwardly along the Jinshajiang valley, and
P.yunnanensis P.densata
southwardly. The flowering phenology of was earlier than that of . The UPGMA clustering
P.densata
of the populations producedtwoclearlydefinedgroups,almostallthe populationsformingoneclusterand
P.yunnanensis P.
another. Becauseoftheapophysisofthehighmountainsandaltitudearisingingeologicalhistory,
densata P.yunnanensis
and wereseparatedgeographically. Thedifferenceofmeteorologicalfactorsinsuitableregions
for each species made their flowering phenology not meet, which blocked the gene flow between them, and formed
the isolation.
Key words Pinus densata Pinus yunnanensis
: ; ; Geographic distribution; Flowering phenology; Ecological diver鄄
gence; Isolation
基金项目 国家自然科学基金
* : (30830010,31070591)
通讯作者
** : Authorforcorrespondence; E鄄mail: [email protected]
收稿日期 接受发表
: 2010-12-10, 2011-01-06
作者简介 刘永良 男 在读硕士研究生 主要研究森林遗传学方面工作
: (1985-) , , 。 E鄄mail: [email protected]
植 物 分 类 与 资 源 学 报 第 卷
摇270摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 33
高山松 Pinus densata 是现在唯一被分子 1 2摇 物种分布及开花物候信息收集
摇 ( ) .
生物学证明为同倍体杂交起源的木本裸子植物 在野外进行了踏查工作 依据高山松和云南松的形
,
态学特征 表 来判定物种 通过中国数字植物标本
种 广泛分布于我国四川西部 西藏东部和云南
( 1) 。
, 、
馆 提取了云南松和高
西北部高山地区 是横断山区森林的建成种之 (CVH; http://www.cvh.org.cn/)
, 山松的标本信息 同时查阅了 西南高山林区森林综合
一 高山松的形态和解剖性状介于云南松 P. , 《
。 ( 考察报告 王宝田和潘志刚 四川植被 四
yunnanensis 和油松 P.tabulaeformis 之间 》 ( ,1963), 《 》 (
) ( ) (Fu 川植被协作组 云南植被 云南植被编写组
等 因此推断高山松可能为云南松和油 ,1980), 《 》 ( ,
, 1999), 西藏植被 陈伟烈 横断山区自然
1987), 《 》 ( ,1988), 《
松的杂种 吴中伦 管中天 高山
地理 张荣祖 和 青藏高原维管植物及其生
( , 1956; , 1981)。 》 ( ,1997) 《
松杂种起源的首次遗传学证据来自于等位酶和叶 态地理分布 吴玉虎 等地方植被研究资料来
》 ( , 2008)
绿体 研究 和 等 确定云南松和高山松地理分布点
DNA (Wang Szmidt,1994; Wang , 。
等 等 年 月自昆明开始沿三江并流的峡谷 从南往
2001; Liu , 2003; Song , 2003)。 2009 3 ,
地理隔离是物种间基因交流的天然障碍 也 北详细记录了横断山区云南松和高山松的种群开花物候
,
特征 并应用 对高山松和云南松种群分布的经纬度
是影响群体间遗传分化的重要因素 , GPS
(Schwanitz, 以及海拔进行了精确的定位
地理隔离是指由于环境变化 某物种较 。
1969)。 , 1 3摇 云南松和高山松地理分布图的绘制
为连续的分布区被分成几个分布区后 各分布区 .
, 在 网站提供的链接
种群也就随之被分隔开来 地壳运动 气候变迁 Diva鄄Gis (http://biogeo.berkeley.
。 、 上下载中国行政区划图层作为底图
edu/bgm/gdate.php) ,
等环境发生改变 产生了新的阻碍因素 导致分
并结合中国三级以上河流水系底图 将收集到的高山松
, ,
,
布区发生隔离 在地理隔离初期 各亚种群仍旧
和云南松种群分布的地理坐标导入到 软件中 生
。 , ArcGIS ,
保持祖先种群的遗传组成 它们与当地的生态环 成高山松和云南松隔离地带的地理分布图 结合
, 。 Google
境发生相互作用 经过长期的适应性进化最终产 软件 将物种分布的地理信息与地表地貌信息联系
, earth ,
生分化 等 等 起来 分析高山松和云南松之间可能的地理隔离机制
(Widmer , 2008; Ma , 2010)。 , 。
以往的研究多集中于证明高山松是云南松和 1 4摇 气象数据及其分析
.
气象数据来源于世界气候数据库 等
油松的同倍性杂交物种 来自分子生物学和形态 (Hijmans ,
, 该数据库对
学的证据无外乎都在说明这一问题 本文旨在调 2005; http://www. worldclim. org/)。 1950-
。 年来自世界各地气象站的气候信息通过采用空间插
查高山松和云南松的地理分布格局和开花物候特 2000
值法生成全球气象数据 因而满足本研究需要 选择
征 并结合气象因子来探讨两物种间可能的地理 , 。 7
, 个对物种开花物候有重要影响的温度变量 其中包括年
,
隔离机制
均温 最暖月均温 月均温的年变幅 极端高温 最冷
。 、 、 、 、
月均温 极端低温 年日照时数 对所调查的物种分布
、 、 。
1摇 材料与方法 地点的气象因子采用欧式距离 应用 软件用
, SPSS 16.0
1 1摇 研究区概况 最短距离法进行聚类分析
. 。
横断山区具有特殊的地理位置和复杂多样的生境
, 表1摇 高山松和云南松的形态学比较 和
长期以来受到生态学家们的关注 等 (Wang Szmidt,1994)
(Frenzel , 2003)。 P.densata P.yunnanensis
Table1摇 Comparativemorphologybetween and
横断山区地理范围包括四川西部 云南西北部和西藏东
、 种名
部。 该地区是我国第一大台阶———青藏高原跨入第二大 特征Character 高山松 Species云南松
台阶 云贵高原的过渡区域 地形特点是受大地构造 Pinusdensata Pinusyunnanensis
——— 。
的控制 形成大体平行 南北向延伸的高山与峡谷 横 针叶数 稀
2-3 3( 2)
, 、 。
针叶长
断山区是全国河流密度最大的地区 怒江 澜沧江和金 (cm) 6-15 10-30
, 、 针叶直径
沙江南北流向将高原深度切割 高原地形经南北流向的 (mm) 1.0-1.5 1.0-1.2
。 球果长
条大江及其纵横交错的支流将横断山区众多的山峰彼 (cm) 5-6 5-11
3 球果直径
(cm) 4-5 4-7
此隔离 形成了典型的 岛屿式 生境 横断山区在全
种子长
, “ 冶 。 (mm) 4-6 4-5
国气候分区上跨越热带 亚热带和高原寒带 个气候 鳞盾 隆起 扁平
、 3
带 但由于本区复杂的山地地形 局地气候变化多端 小枝 亮黄褐色 淡红褐色
, ,
(Chang,1981)。
期 刘永良等 同倍杂交种高山松与亲本种云南松的地理隔离研究
3 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 : 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇27摇1
2摇 研究结果 左右 而谷底多在 间 相对高差
, 3400 ~3500 m ,
2 1摇 云南松和高山松的地理分布及其界定 仅 成为丘原地貌 往南到乡城 稻
. 300 ~500 m, 。 -
标本记录和沿路踏查表明高山松分布在西藏 城 九龙一线 谷底海拔下降到
- , 2500 ~2600 m,
东南部 四川西部 云南西北部和青海南部海拔 山地普遍在 相对高差
、 、 4200 ~4 500 m, 2 000 m,
的高山地带 在此区域高山松分 成为高山河谷地貌 再往南到中甸 木里一线
2700 ~4200 m , 。 - ,
布不连续 而云南松分布在云南 贵州 广西西 高原面再次下降到 河流深切而密
; 、 、 3000~3400m,
北部和四川西部海拔 的高原地带 集 相对高差在 成为高山峡谷地
600 ~3100 m 。 , 2000~3000m,
在地理上两物种的临界区位于云南的中甸 图 貌 该区域的典型地貌为植被的分化提供了广阔
( 1)。 。
整个横断山区的地势形成西北向东南逐级下 的空间环境 高山松多分布于高山河谷以及高山
。
降的趋势 分为三种不同的地貌 图 昌都 峡谷地域 云南松则分布在更南端 两物种分别
。 ( 2)。 - , ,
江达 甘孜 马尔康一线以北 高原海拔在 享有不同的生态环境 图
- - , 4000 m ( 1, 2)。
图 高山松和云南松的隔离带种群地理分布图
1摇
P.densata P.yunnanensis
Fig.1摇 Thegeographicaldistributionof and inisolationregion
图 横断山区三种地表地貌的分界线
2摇
Fig.2摇 Theboundaryofthreecross鄄sectionalsurfacetopographyoftheHengduanMountains
植 物 分 类 与 资 源 学 报 第 卷
摇272摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 33
2 2摇 高山松和云南松的开花物候特征 的两种地貌分界线上 图 在地表形态上将
. ( 2),
云南松的开花物候早于高山松 云南松三月 两物种分离开来
, 。
下旬就进入开花散粉期 高山松开花散粉期发生
,
在四月 不同的群体波动较大 理县 宝兴和小 3摇 讨论
, , 、
金三个地点种群的开花物候发生于四月上旬 德 3 1摇 高山松和云南松的地理分布及开花物候差异
, .
钦 康定 马尔康高山松群体四月下旬进入开花 对两物种的分布界定和开花物候的研究有助
、 、
散粉期 表 于了解同倍杂交种高山松和亲本种云南松之间的
( 2)。
2 3摇 依据气象因子的聚类分析 隔离机制及高山松的杂种形成机制 地质历史
. 。
基于 个生物气象因子变量 聚类结果明显 和气候变化对物种的分布格局有着重要的影响
7 ,
分为两支 图 几乎所有的云南松群体聚为
( 3), (Li,1952; Florin, 1963; Ying, 1983; Wen, 2001;
一支 高山松群体聚为另一支 中甸的群体作为 和 高山松和云南松分布于不
, , Xiang Soltis,2001)。
高山松分布区的最南端群体 因而作为高山松和 同的地理区域 占据着不同的生态环境 地形地
, , ,
云南松分布的临界区 图 中甸地处横断山区 貌显著差异 海拔差异剧烈 推测数百万年前的
( 2)。 , 。
表2摇 高山松和云南松的开花物候时间
P.densata P.yunnanensis
Table2摇 Thefloweringphenologytimeof and
物种 地点 经度 纬度 海拔 起始时间 结束时间
摇 (毅 E) (毅 N) (m)
摇 Species Location Longitude Latitude Altitude Starttime Endtime
P.yunnanensis 贡山 月 日 月 日
摇 98.63 28.01 1736 3 15 3 28
P.yunnanensis 洱源 月 日 月 日
摇 99.95 26.11 2085 3 17 3 30
P.yunnanensis 剑川 月 日 月 日
摇 99.91 26.54 2196 3 20 4 5
P.yunnanensis 楚雄 月 日 月 日
摇 101.3 25.01 1772 3 21 4 10
P.yunnanensis 昆明 月 日 月 日
摇 102.6 24.97 1900 3 22 4 11
P.yunnanensis 大理 月 日 月 日
摇 100.10 25.43 1990 3 22 4 11
P.yunnanensis 维西 月 日 月 日
摇 99.31 27.13 2325 3 24 4 6
P.densata 小金 月 日 月 日
摇 102.50 31.02 2467 4 2 4 9
P.densata 宝兴 月 日 月 日
摇 102.80 30.72 2180 4 5 4 14
P.densata 理县毕棚沟 月 日 月 日
摇 103.00 31.40 2158 4 7 4 19
P.densata 理县米亚罗 月 日 月 日
摇 102.80 31.66 2746 4 9 4 21
P.densata 德钦 月 日 月 日
摇 98.88 28.44 3449 4 15 4 25
P.densata 康定 月 日 月 日
摇 101.90 30.19 2914 4 18 4 29
P.densata 马尔康 月 日 月 日
摇 102.20 31.91 2526 4 22 5 1
图 基于调查群体七个气象因子聚类图
3摇
气象因子包括年均温 最暖月均温 月均温的年变幅 极端高温 最冷月均温 极端低温和年日照时数
、 、 、 、 、
Fig.3摇 UPGMAclusteringofthesurveyedpopulationsbasedonsevenbio鄄climatevariables
Thebio鄄climatevariablesincludingannualmeantemperature,annualrangeofmonthlymeantemperature,meantemperatureforthewarmestmonth,
meantemperatureforthecoldestmonth,extremehighesttemperatures,extremelowesttemperatureandannualsunshinehours
期 刘永良等 同倍杂交种高山松与亲本种云南松的地理隔离研究
3 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 : 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇27摇3
地质历史包括海平面改变 地壳变动和板块构造 松成种后并没有立刻与油松和云南松形成完全的
、
等 对高山松和云南松的地理分布现状产生了深 生殖隔离 而是存在复杂的甚至是反复的回交过
, ,
远的影响 有相似的研究表明 影响日本琉球 程 在高山松和云南松临界区域内两物种之间存
。 , ,
群岛上植物区系分化 等 的 在着基因渐渗 高山松成种过程中合子前隔离作
(Nakamura , 2009) 。
因素包括地质历史和当前的生态环境因素 用可能较大 但是临界区可能是两物种间的渐渗
,
和 杂交成功的一个有效的桥梁
(Linder, 2001; Fattorini Fowles, 2005; Haus鄄 (Anderson, 1949)。
和 开花物候主要与物种本 高山松的形态解剖学性状介于两亲本种之间
dorf Hennig, 2005)。
身 开花前的积温 花期内的积温等因素有关 等 物种性状研究表明高山松在其
、 、 (Fu , 1999),
沈熙环等 处于异质生态环境中的高山 亲本种不能正常生长繁殖的高海拔生境中具有正
( , 1985),
松和云南松群体在建立和发展中经历了不同的生 常的生殖能力 等 此外高山松与
(Mao , 2009),
态过程 在长期的生物群体与环境的相互作用过 其亲本种之间还产生了严格的生态分化 有研究
, ,
程中 受到强烈选择压力的作用 造成了开花物 表明 高山松在高海拔生境中 在长期的进化历
, , , ,
候的差异 史中固定下来了一系列极端生理学特征 如较快
。 ,
3 2摇 高山松和云南松可能的地理隔离机制 的种苗生长速度 更高的水分利用效率和极端耐
. ,
在不同的地理区域内 气候条件和土壤条件 干旱能力 等 高山松在进化过程中
, (Ma , 2010)。
差异很大 长期以来两物种均得到了适应性的进 一些基因位点是经过选择而保留下来的
, (Ma
化 同倍杂交种高山松与其亲本种云南松分布在 等 一系列超亲分离性状的出现经过自
。 , 2006)。
不同的区域 由于地理因素的原因高山松和云南 然选择作用和适应性进化 在有利的生境中固定
, ,
松分布区内的温度相关变量差异较大 温度作为 下来 为物种形成并适应新的生态环境提供了必
, ,
影响开花物候的主要因素 云南松开花物候较 要的生物学基础 同时也避免了其与亲本种之间
, ,
早 高山松开花物候较晚 在繁殖期内造成两物 的生存竞争 和
, , (Rieseberg Carney, 1998; Buerkle
种之间的花期不遇 产生了物候隔离 两物种分 等 等
, , ,2000; Rieseberg , 2003; Seehausen, 2004)。
别在不同的时间段内开花散粉并繁殖后代 高山 综上所述 在长期的生态选择作用下 同倍
。 , ,
松和云南松的临界区域中甸恰好位于三江并流区 杂交种高山松与其亲本种相比 占据了其亲本种
,
域 该区域做作为横断山区的一个瓶颈 云南高 不能存活的新生态位 开花物候较迟以及一些列的
, , ,
原过渡到青藏高原 独特的地表特征形成了烟囱 种实性状 生理学和形态学特征均与其高海拔生境
, 、
式的地貌 在垂直水平上该区海拔急剧上升 生 相适应 二者之间产生了显著的地理隔离 高山松
, , , 。
境发生显著的转变 临界区内高 占据适合其生长繁殖的生态位 生长在其亲本云南
(Chang, 1981)。 ,
大的山系等机械隔离在空间上影响了花粉和种子 松和油松均不能生长的高海拔 高寒地域 广泛分
、 ,
的散播 物种之间不能进行有效的基因交流 这 布开来 此外 本研究是依据形态和气象特征识
, 。 。 ,
两方面的原因共同造成了同倍杂交种高山松和亲 别物种并推定物种分布界限的 是否可作为遗传
,
本种云南松时间和空间上的合子前隔离 学水平上的界限需要进一步的深入研究
(Dobzhan鄄 。
等
sky, 1937; Butlin, 1987; Turelli , 2001; Ma鄄
和 等 也参 考 文 献页
clean Greig, 2008; Widmer , 2008)。 摇 摇 摇
3 3摇 高山松的适应性进化
.
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