石鸡的分子生态及系统地理学研究

论文摘要

石鸡（Alectoris chukar）隶属于鸟纲（Aves）、鸡形目（Galliforms）、雉科（Phasianidae）、石鸡属（Alectoris）。它是石鸡属鸟类中分布最广、亚种分化最多的物种,已报道的亚种多达16个。本文应用线粒体DNA （mtDNA）控制区和微卫星两种分子标记,研究了我国石鸡5个亚种、25个地理种群的分子生态和系统地理学；同时,以mtDNA控制区为分子标记研究了石鸡15个亚种的系统发生关系。本文的主要目的是：（1）通过分子手段构建石鸡亚种的系统发生关系,来探讨石鸡的起源；（2）通过检测石鸡不同地理种群的遗传多样性,揭示不同环境因子对我国石鸡遗传多样性的影响；（3）通过重建我国石鸡亚种不同种群间的系统地理结构,阐述更新世冷暖气候交替对它们系统发生的影响；（4）同时应用母系遗传和双亲遗传的两种分子标记,分析雌雄两性在石鸡种群扩散中的作用；（5）研究我国石鸡各种群的种群历史；（6）从遗传学角度为石鸡的保护提出合理建议。本研究共对石鸡15个亚种427个样本的mtDNA控制区序列和我国的5个亚种25个地理种群288个样本的8个多态性微卫星位点进行了分析,研究结果表明：1.石鸡mtDNA控制区的碱基含量分别为：T 32.1%、C 27.3%、A 26.4%、G 14.2%,A和C的比例高于G和T的比例,碱基含量显示出一定的偏歧性。在427个样本中共发现127个变异位点,定义了139种单倍型,核苷酸多样性和单倍型多样性分别为0.961和0.0054。8对微卫星位点平均等位基因数为16.875,平均期望杂合度和观察杂合度分别为0.8624和0.7847,表现出较高的遗传多样性。2.石鸡15亚种及我国石鸡25个地理种群中的大部分都表现出“高单倍型多样性、低核苷酸多样性”的遗传多样性模式。这一遗传多样性模式及mismatch单峰分布特征、Fu’s Fs和Tajima’s D检验结果都支持我国石鸡及大部分的石鸡种群都经历过种群扩张的历史。红回（HH）、东大山（DSH）、乌海（WH）、武都（WD）和景泰（JT）5个种群的扩张时间发生在0.063-0.144 Ma,即我国北方所处的第四温暖期；其它种群扩张发生在0.027-0.060 Ma之间,即我国北方所处的第五寒冷期。3.石鸡的遗传多样性中仅有核苷酸多样性与纬度呈显著负相关关系,其它多样性指标（单倍型多样性、观测杂合度与期望杂合度）与各环境因子都没有显著的相关性。石鸡各种群的遗传多样性与各环境因子的变异系数呈现不显著的正相关关系,即在气候不稳定的地区石鸡的遗传多样性反而较高。4.基于mtDNA控制区计算的石鸡各种群间的基因流高于基于微卫星得出的结果,表明在种群扩散过程中雌性石鸡向外扩散,从而在分子水平上证实了雉科鸟类以雌性为主导的扩散模式。5.石鸡15个亚种的系统发生树和核苷酸多样性表明石鸡起源于西喜马拉雅山-帕米尔高原-西天山地区,支持了以前基于形态和亚种分布推测石鸡起源于中亚的结论。15个亚种在系统发生树上聚类成两个亚种组,它们的分歧时间大约在45万年前（基于mtDNA控制区遗传距离和MDIV）,相当于中更新世晚期青藏高原发生加布拉间冰期（0.30-0.73 Ma）和天山高望峰冰期之后发生的间冰期（0.30-0.47 Ma）。之后,当气候趋向寒冷、干燥时,石鸡分别向外扩散并分歧成与现今形态一致的各亚种。15个亚种间发生分歧的时间相当于欧洲恭兹-民德间冰期（0.30-0.69 Ma）和民德-里斯间冰期（0.125-0.20Ma）,以及我国北部的第三（0.24-0.36 Ma）和第四温暖期（0.06-0.15 Ma）发生的时间,表明石鸡是一种冰期扩散、间冰期隔离的物种。MP和贝叶斯树与基于mtDNA控制区遗传距离构建的系统发生树结果一致。6.分布于我国的石鸡6亚种25种群的核苷酸多样性及亚种的系统发生树表明,我国石鸡起源于两个不同的地区——西喜马拉雅山-帕米尔高原和西天山-塔尔巴哈台地区,其中以起源于新疆部分地区及中亚的干旱半干旱地区即西天山-塔尔巴哈台地区为主。7.两种分子标记都表明我国石鸡没有明显的系统地理结构,表明我国的石鸡在第四纪冰期-间冰期气候发生剧烈振荡时没有受到太大的影响,各分布区内的山脉也未对它们形成地理屏障。分子变异分析（AMOVA）显示石鸡各地理种群间的遗传差异不显著,但种群内遗传差异极显著（CR序列；FST=0.309,P<0.001；微卫星：FST=0.3093,P<0.001）,地理种群内是主要的（CR序列：69.07%；微卫星；81.03%）。Mantel检验结果显示25个种群的FsT/（1-FST）与地理距离间没有显著的相关性（CR序列：r=0.468,P>0.05；微卫星：r=0.15,P>0.05）,说明遗传分化不是单纯由地理距离决定的。8.基于本文的研究结果和可操作性的原则,我们建议分别将分布于陇东黄土高原、贺兰山、祁连山和西天山地区的石鸡作为四个独立的进化显著单元进行管理和保护；我国的6个亚种可以作为6个管理单元进行管理。对种群而言,霍尔果斯（HEG）、阿克塞（AKS）、肃北（SB）、桐川（TC）和武都（WD）种群应被作为独立的管理单元加以管理和保护,尤其是由于WD种群所处的独特的地理位置更应被加以关注。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一部分 前言
• 1.1 分子生态学
• 1.1.1 分子生态学概述
• 1.1.2 分子生态学研究中的重要理论
• 1.1.3 用于分子生态学研究的遗传标记
• 1.2 系统地理学
• 1.2.1 系统地理学的发展简史
• 1.2.2 鸟类分子系统地理学研究进展
• 1.3 动物对过去环境演变的响应
• 1.3.1 更新世以来发生的地质事件及其影响
• 1.3.2 青藏高原隆升与我国北方的干旱化
• 1.3.3 第四纪古地理环境对我国动物分布的影响
• 1.4 保护遗传学
• 1.5 研究问题的提出
• 第二部分 材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 采样地环境因子
• 2.3 仪器与设备
• 2.4 试剂与溶液
• 2.5 总DNA的提取与检测
• 2.6 mtDNA的扩增与测序
• 2.7 微卫星的扩增与聚丙烯酰胺凝胶电泳
• 2.8 数据分析
• 2.8.1 控制区序列的分析
• 2.8.2 微卫星数据的分析
• 第三部分 实验结果
• 3.1 石鸡mtDNA控制区的遗传变异
• 3.1.1 石鸡15亚种mtDNA控制区的遗传变异
• 3.1.2 我国石鸡mtDNA控制区的遗传变异
• 3.1.3 石鸡华北亚种mtDNA控制区的遗传变异
• 3.1.4 石鸡贺兰山亚种mtDNA控制区的遗传变异
• 3.2 石鸡的遗传多样性
• 3.2.1 基于mtDNA控制区的石鸡的遗传多样性
• 3.2.2 我国石鸡基于微卫星标记的遗传多样性
• 3.3 石鸡遗传多样性与环境因子的关系
• 3.4 石鸡的遗传距离
• 3.5 石鸡的遗传分化与基因流
• 3.5.1 石鸡基于mtDNA控制区的遗传分化与基因流
• 3.5.2 石鸡基于微卫星标记的遗传分化与基因流
• 3.6 石鸡的种群历史
• 3.6.1 石鸡15亚种的种群历史
• 3.6.2 我国石鸡的种群历史
• 3.6.3 石鸡华北亚种和贺兰山亚种的种群历史
• 3.7 石鸡系统发生
• 3.8 石鸡的系统地理结构
• 3.8.1 石鸡15亚种的系统地理结构
• 3.8.2 我国石鸡的系统地理结构
• 第四部分 讨论
• 4.1 种群遗传多样性
• 4.2 种群遗传分化和基因流
• 4.3 环境对种群遗传多样性的影响
• 4.4 种群结构与距离隔离
• 4.5 种群历史动态
• 4.6 石鸡的系统发生和起源
• 4.7 石鸡的系统地理结构
• 4.8 石鸡的遗传保护
• 第五部分 小结
• 参考文献
• 附录
• 在学期间参科研成果
• 致谢