姜花属植物分子系统以及毛姜花两变种进化关系研究

论文摘要

姜花属Hedychium J Konig是姜科植物中惟一一个从热带低海拔地区到高海拔地区都有分布的属,含有50余种,以喜马拉雅地区为现代分布中心。目前为止还没有关于该属分化起源以及形态形状进化方面的研究。本研究对姜花属45个物种进行了分子系统学的研究,应用最大简约法(Maximum parsimony)和贝叶斯法(Bayesian analysis)分别构建了姜花属的核基因ITS、叶绿体基因matK以及两基因的整合序列的分子系统树。姜花属是单系起源的,这一结论得到充分的证明。姜花属物种聚成4枝(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ),其中位于第Ⅰ枝和第Ⅲ枝的植物分布在海拔较高(>1600米)的喜马拉雅地区,每个小苞片内只含有2朵小花,苞片非覆瓦状排列；第Ⅱ枝含有物种数最多,分布广泛,都分布在海拔较低(<1200米)的地区,每个小苞片内含有的小花数目多于1朵；第Ⅳ枝物种都是附生植物,海拔高度(1200米与1600之间)介于第Ⅰ枝和第Ⅱ枝之间,小苞片内小花数目不定,主要集中分布在东南亚地区。应用BEAST软件,对姜花属分化时间估算结果表明,姜花属的分化与喜马拉雅的隆起有着重要联系,特别是8Ma和5Ma全球范围的两次大干旱,可能是导致姜花属发生属内分化的主要原因,而东南亚地区可能是现代姜花属早期分化起源的中心。将姜花属形态数据分析与分子系统分析结合的结果表明,姜花属植物是由附生生长向地生生长过渡的,而小苞片内花数目是随着海拔高度的升高或降低而减少或增加。第二部分研究以姜花属毛姜花Hedychium villosum Wallich两变种为材料,对其进化关系展开研究。通过对2变种形态学、生态学、细胞学、遗传学等方面的研究分析,原变种毛姜花Hedychium villosum Wallich是四倍体(2n=68),而变种小毛姜花Hedychium villosum var. tenuiflorum Wallich ex Baker是二倍体(2n=34)；毛姜花的形态特征大小除了花冠管长度和花药长度,其余都显著大于小毛姜花的对应特征(p<0.001)；二者具有严格的生殖隔离机制；等位酶实验两变种的AAT酶谱相同,都只有一条带,SKD酶谱中,小毛姜花显示一条或者两条带,毛姜花则一、二、三、四条带都有显示。基于以上数据,我们认为,小毛姜花是毛姜花的同源二倍体祖先。二者分别符合物种的定义,因此我们认为它们应被定位成两个独立的物种,根据Soltis等提出的命名原则,我们将变种小毛姜花命名为Hedychium diplovillosum F Yu & JY Gao。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 研究背景
• 第2章 姜花属植物分子系统学研究
• 1 实验材料
• 1.1 实验材料
• 2 研究方法
• 2.1 分子标记（ITS和matK）的选择
• 2.2 具体实验方法
• 2.2.1 材料总DNA提取
• 2.2.2 PCR扩增
• 2.2.3 DNA测序
• 2.2.4 序列比对以及校正
• 2.2.5 系统发育分析
• 2.2.6 分化时间估算
• 2.2.7 姜花属植物形态学研究
• A 形态学数据的选取和形态学数据矩阵的构建
• B 形态学性状和系统树的整合（MAPPING）
• 3 结果
• 3.1 ITS序列分析
• 3.2 matK序列分析
• 3.3 整合序列
• 3.4 分化时间估算结果
• 3.5 形态学形状和系统树的整合
• 4 讨论
• 4.1 ITS与matK进化比较
• 4.2 分子系统进化与姜花属系统
• 4.3 姜花属地理分布与姜花属系统
• 4.4 姜花属植物分化时间
• 4.5 姜花属形态特征进化与姜花属系统
• 第3章 毛姜花2变种进化关系研究
• 1 实验材料
• 2 研究方法
• 2.1 分布、生境调查、物候观测以及形态数据测量
• 2.2 染色体计数实验
• 2.3 等位酶实验
• 2.4 数据处理
• 3 结果
• 3.1 分布、生境和物候
• 3.2 形态学数据测量和染色体计数
• 3.3 等位酶电泳分析
• 4 讨论
• 4.1 毛姜花2变种进化关系
• 4.1.1 毛姜花2变种的染色体倍性关系
• 4.1.2 生境调查和物候观测
• 4.1.3 毛姜花两变种形态特征观察比较
• 4.1.4 遗传学证据
• 4.2 毛姜花2变种分类地位以及命名
• 4.2.1 物种定义探讨
• 4.2.2 毛姜花2变种分类定位
• 4.2.3 毛姜花2变种命名
• 第4章 小结
• 1 姜花属系统发育研究结论
• 2 毛姜花2变种进化关系
• 参考文献
• 在读期间撰写论文以及学术交流情况
• 致谢
• 附录