基于形態(tài)性狀的賴草屬種群表型分支分析

基于形態(tài)性狀的賴草屬種群表型分支分析

賴草是水稻科的一個(gè)重要多年生部落，為多倍體（4-12倍體）。全世界有賴草屬大約50個(gè)種和亞種,廣泛分布于歐亞大陸和北美,南美也有少量分布。中國有24個(gè)種,主要分布于西北、華北、東北及西南地區(qū)。該屬大多數(shù)植物具有較強(qiáng)的耐寒、耐旱、耐堿,以及抗病、抗蟲、抗風(fēng)沙的能力,且是優(yōu)良的牧草。隨著麥類作物和牧草育種、植被恢復(fù)和生態(tài)建設(shè)的深入開展,對(duì)優(yōu)異植物種質(zhì)資源的需求極為迫切,對(duì)賴草屬進(jìn)行系統(tǒng)的研究具有重要的意義。賴草屬植物的不同分類群分別生長在北極寒溫帶到南亞熱帶,從沙漠、石質(zhì)巖坡、草原、開闊草甸到蔭被林下,由于廣泛的生態(tài)適應(yīng)性,賴草屬植物的形態(tài)特征變化復(fù)雜。例如Leymuscoreanus(Honda)K.B.JensenandR.R.-C.Wang、Leymusduthiei(Stapf)Y.H.ZhouetH.Q.Zhang和Leymusduthieivar.longearistatus(Hack)Y.H.ZhouetH.Q.Zhang,它們曾被歸為猬草屬(HystrixMoench)中,這3個(gè)賴草屬植物生長在地下水分充足的林下,生態(tài)適應(yīng)的不同造成與其他賴草屬植物的形態(tài)趨異,而一度被排除在賴草屬外。另外,賴草屬的新物種不斷有報(bào)道,這些新的物種主要來自于西西伯利亞和中國。因此,賴草屬的分類和系統(tǒng)學(xué)地位仍存在很大的爭議。賴草屬屬下分類系統(tǒng)的劃分同樣有很大的爭議,有學(xué)者在屬下劃分組和系;而有些學(xué)者僅主張劃分組;還有的學(xué)者則否定組、系的成立,在屬內(nèi)僅承認(rèn)種或種以下等級(jí)的類群。關(guān)于組的具體劃分存在較大分歧,表1中列出主要的學(xué)者對(duì)賴草屬物種組的劃分情況。根據(jù)穎形狀、穎脈數(shù)、外稃先端、外稃背部、每穗軸節(jié)小穗數(shù)、葉背特征、生活習(xí)性等特征,Tzvelev和L?ve將賴草屬劃分為sect.Leymus、sect.Anisopyrum、sect.Aphanoneuron和sect.Malacuru4個(gè)組;Barkworth&Atkins認(rèn)為北美的賴草屬植物用Tzvelev的分組形態(tài)特征不能區(qū)分sect.Anisopyrum和sect.Aphanoneuron,從而將上述2組植物組合為sect.Anisopyrum;智麗和蔡聯(lián)炳將中國賴草屬植物劃分成3個(gè)組:多穗組Set.Racemosus,少穗組Set.Leymus.和單穗組sect.Anisopyrum。顏濟(jì)和楊俊良根據(jù)賴草屬的生態(tài)習(xí)性將之劃分為沙生生態(tài)組sect.Arenicolus、草原-草甸生態(tài)組sect.Pratensus和林下生態(tài)組sect.Sylvicolus。分支系統(tǒng)學(xué)是由Henning創(chuàng)立,它以近裔共性為基本原則進(jìn)行生物的系統(tǒng)分析。隨著分支系統(tǒng)學(xué)理論的相對(duì)成熟與完善,尤其是近10年來相應(yīng)計(jì)算機(jī)分析軟件(如WinClada、MacClade和PAUP等)的快速發(fā)展和更新,用分支分析的方法不但使分類群系統(tǒng)發(fā)育的重建更為準(zhǔn)確可信,而且通過分析各性狀狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)重建的貢獻(xiàn)及其在分類群間的變化,可以更好地解釋重建的系統(tǒng)發(fā)育圖譜。本研究選擇了傳統(tǒng)上認(rèn)為賴草屬組間及種間具有較大分類價(jià)值的形態(tài)性狀(如:穎、外稃、每節(jié)著生小穗數(shù)等重要形態(tài)特征),通過分支分析來構(gòu)建分支系統(tǒng)樹。以此,通過對(duì)形態(tài)性狀狀態(tài)的分布和變化的分析為賴草屬的形態(tài)演變和分化式樣研究提供形態(tài)學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1植物及微生物群落按照《中國植物志》第22卷(英文版)(2006)和蔡聯(lián)炳對(duì)賴草屬植物的分類修訂,選取34個(gè)賴草屬植物(包括32個(gè)種、1個(gè)亞種和1個(gè)變種)為研究對(duì)象,并以種為終端群。外類群選用HordeumbogdaniiWilensky。用于形態(tài)學(xué)觀察的賴草屬標(biāo)本來源于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)小研究所標(biāo)本室(SAUTI)和中國科學(xué)院西北高原所植物標(biāo)本室(HNWP)。各分類群標(biāo)本的產(chǎn)地、采集號(hào)和采集人列于表2。1.2性狀編碼及數(shù)量性狀的選擇以選取盡可能多的相對(duì)穩(wěn)定的性狀狀態(tài)和有明顯間斷性變異的數(shù)量性狀為原則。性狀狀態(tài)主要根據(jù)野外觀察以及對(duì)標(biāo)本和文獻(xiàn)的廣泛比較和研究來確定。用于分支分類的性狀及狀態(tài)編碼見表3。所有的性狀均為無序、等權(quán)。在多態(tài)性狀中,任何2個(gè)性狀狀態(tài)間的距離相等,如0至1之間和0至2之間的距離均為1。代表性狀狀態(tài)的數(shù)字沒有進(jìn)化意義,即0并不比1原始。不詳或未知的狀態(tài)用“?”表示,不存在的性狀則用“-”表示(表4)。1.3系統(tǒng)發(fā)育樹知識(shí)搜索數(shù)據(jù)矩陣的分支分析使用軟件PAUPver.4.0b10,分析采用最大簡約法(Maximumparsimony,MP),啟發(fā)式(Heuristic)搜索,數(shù)據(jù)隨機(jī)添加(addseq=random),重復(fù)次數(shù)(nreps)為100,樹等分與重連分之交換法(TBR)獲取系統(tǒng)樹。系統(tǒng)發(fā)育樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性用1000次重復(fù)抽樣(replicates)的自展分析(bootstrap,BS)來檢驗(yàn)。系統(tǒng)發(fā)育信息量由一致性指數(shù)(CI),保持性指數(shù)(RI)構(gòu)建顯示。2配合性植物的生長通過對(duì)基于形態(tài)的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行簡約性分析,得到70顆同等簡約的分支樹。這些樹的樹長均為70步,一致性指數(shù)CI=0.4703,保持性指數(shù)RI=0.6423。得到的簡約樹的一致性指數(shù)和自展支持率較低,表明所選擇的形態(tài)性狀中非同源性性狀較多,這會(huì)在一定程度上影響系統(tǒng)發(fā)育重建的可靠性和準(zhǔn)確性?；?0顆同等簡約樹的嚴(yán)格一致樹如圖1(未顯示自展支持率)所示。17個(gè)來自于歐亞大陸且外稃背部有毛、外稃先端有芒、穎呈線形披針形到披針形的賴草屬植物形成一支,它們是L.flexus、L.secalinus、L.pendulus、L.arenarius、L.racemosus、L.mollis、L.karelinii、L.leptostachys、L.angustus、L.tianschanicus、L.ovatus、L.pseudoracemosus、L.qinghaicus、L.shanxiensis、L.yiwuensis和L.crassiusculus。穎退化或穎的形狀為錐形、外稃無毛、外稃先端有芒和每穗軸節(jié)著生1～2(3)枚小穗的賴草屬植物L(fēng).duthieivar.longearistatus、L.duthiei、L.erianthus、L.salinus和L.multicaulis形成另一支。3討論3.1丘、沙地草原蔡聯(lián)炳和張梅妞對(duì)15個(gè)中國產(chǎn)賴草屬植物的葉表皮進(jìn)行觀察指出L.flexus、L.secalinus和L.paboanus為同一類群植物,其葉片下表皮長細(xì)胞通常較長,無新月形短細(xì)胞,僅具馬鞍形短細(xì)胞,表皮具刺毛,脈帶明顯窄于脈間帶。在外部形態(tài)特征上,這3種植物都具根狀莖、稈常具3～5節(jié)、小穗通常2～3枚生于穗軸1節(jié)、含3～7朵小花、外稃背部被毛、外稃先端具芒、內(nèi)稃先端尖或2裂,本研究基于形態(tài)特征的分支系統(tǒng)發(fā)育樹中,這三者的關(guān)系為姐妹群關(guān)系,結(jié)合以上分析,推測L.flexus、L.secalinus和L.paboanus的親緣關(guān)系較近?；跓晒庠浑s交(Flurorescencein-situhybridization,FISH)研究,Anamthawat-Jónsson&B?dvarsdóttir認(rèn)為L.arenarius和L.racemosus的關(guān)系緊密。L.arenarius和L.racemosus主要分布于歐洲和中亞,生長在河邊沙地、沙丘、沙地草原與荒漠中,具有強(qiáng)大的根莖、莖稈粗壯、穗堅(jiān)韌直立、穗軸節(jié)上著生2～6枚小穗,在分支系統(tǒng)發(fā)育樹中為姐妹群關(guān)系,本研究結(jié)果支持兩者具有緊密的親緣關(guān)系,這與基于ITS序列的分子系統(tǒng)樹的研究結(jié)果是一致的。6個(gè)來自青藏高原的L.ovatus、L.pseudoracemosus、L.qinghaicus、L.shanxiensis、L.yiwuensis和L.crassiusculus在分支系統(tǒng)發(fā)育樹中形成一支,與其他歐亞大陸分布的賴草屬植物的形態(tài)相比,它們之間具有更多同源性性狀,葉鞘表面無毛、穗軸被毛、小穗軸被毛和穎的長度短于小穗長度,推測它們具有較近的種間關(guān)系。在分支系統(tǒng)發(fā)育樹上,北美的L.innovatus、L.cinereus、L.condensatus(可能是引種到比利時(shí))、L.ambiguus和L.triticoides形成一個(gè)分支梯度,其穎呈錐形、外稃背部無毛、外稃先端無芒或具短芒、葉鞘表面無毛、小穗具(2)3～7朵小花和穎的長度短于小穗長度,表現(xiàn)出與歐亞大陸賴草屬植物的不同。根據(jù)形態(tài)學(xué)特征,L.duthiei、L.duthieivar.longearistatus和L.coreanus以前被描述為猬草屬的類群Hy.coreana、Hy.duthiei和Hy.duthieivar.longearistata。然而,基于細(xì)胞學(xué)和分子生物學(xué)的數(shù)據(jù)表明這3個(gè)猬草屬的類群具有與賴草屬植物一樣的基因組組成NsXm,而被歸入賴草屬中[22,24,25,26,27,28,29]。這3種植物是對(duì)地下水充分的林下環(huán)境進(jìn)行適應(yīng)而演化出來的,其植株具疏叢、無根莖和葉廣披針形。在本研究的分支系統(tǒng)發(fā)育樹中,L.duthiei、L.duthieivar.longearistatus、L.coreanus與L.erianthus、L.salinus和L.multicaulis為姐妹群關(guān)系,具有較多的同源性性狀。雖然,L.duthiei的穎退化,但是,L.duthieivar.longearistatus(常退化)和L.coreanus的穎呈錐形,與L.erianthus、L.salinus和L.multicaulis穎的形狀一樣,另外,L.salinus的第一穎也經(jīng)常退化。此外,它們穗軸節(jié)都著生1～2(-3)個(gè)小穗,穎的長度短于小穗長度,穎的脈數(shù)為1(-3)。這些相似的形態(tài)特征都暗示了L.duthiei、L.duthieivar.longearistatus和L.coreanus與賴草屬植物在形態(tài)上具有連續(xù)性,適合將其歸入賴草屬中。通過表型分支分析,發(fā)現(xiàn)賴草屬并沒有被區(qū)分成3個(gè)組或者兩個(gè)組,而是在系統(tǒng)發(fā)育樹上呈現(xiàn)很多分支,顯示了賴草屬在形態(tài)上為高水平的分化,在組間及種間均存在著廣泛的變異,這可能有以下幾種原因:第一,賴草屬物種分布廣泛、能適應(yīng)多種生態(tài)類型,如沙漠、石質(zhì)巖坡,草原、開闊草甸、蔭被林;第二,賴草屬植物Ns基因組的供體屬新麥草屬種間形態(tài)差異大;第三,賴草屬植物Xm基因組的來源不清楚,它可能對(duì)賴草屬形態(tài)上的遺傳變異產(chǎn)生了更大的影響。3.2賴草屬種間形態(tài)性狀的個(gè)體間的差異及進(jìn)化關(guān)系本研究的矩陣包含了賴草屬植物分類的重要形態(tài)性狀。盡管如此,一些性狀在組間或種間的一致性很低,使整個(gè)矩陣表現(xiàn)出高的同塑性,表明性狀狀態(tài)間存在著較多的平行和逆轉(zhuǎn)進(jìn)化,這在一定程度上影響了系統(tǒng)發(fā)育重建的可靠性和準(zhǔn)確性。主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面:一是在賴草屬種內(nèi),葉片的被毛情況、葉鞘表面的被毛情況、穗軸節(jié)的小穗數(shù)、穎的脈數(shù)、稈的節(jié)數(shù)等很容易受環(huán)境的影響而在個(gè)體間出現(xiàn)差異;二是穗長度、穎的長度、內(nèi)稃的長度、花藥的長度等形態(tài)性狀在種內(nèi)個(gè)體間也存在差異;三是在種間不穩(wěn)定的性狀較多,如葉片、穗軸、小穗軸、穎、外稃、內(nèi)稃的被毛情況、穎和外稃的形狀、穎和外稃的先端、穗的長度等等,這些性狀可能是組下分種的重要