殼斗科水青岡屬譜系地理學(xué)研究進(jìn)展

賀 維，陳 時(shí)

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江西南昌 330045）

水青岡屬（Fagus L.）是殼斗科（Fagaceae）的模式屬，該屬種類較少，約有11 個(gè)種[1-3]，其分布區(qū)位于北緯19.5°～60°的東亞、歐洲和北美[4]。長(zhǎng)柄水青岡（Fagus longipetiolata Seemen）、亮葉水青岡（F.lucida Rehder &Wilson）、臺(tái)灣水青岡（F.hayatae Palibin）和米心水青岡（F.engleriana Seemen）分布于中國(guó)，圓齒水青岡（F.crenata Blume）和日本水青岡（F.japonica Maxim）分布于日本，多脈水青岡（F.multinervis Nakai）分布于韓國(guó)，歐洲水青岡（F.sylvatica L.）和東方水青岡（F.orientalis Lipsky）分布于歐洲，大葉水青岡（F.grandifolia Ehrh）和墨西哥水青岡（F.mexicana Martínez）分布于北美。水青岡屬植物多生長(zhǎng)在山地北坡較為濕潤(rùn)的地方，喜砂質(zhì)土壤，是落葉闊葉林和常綠落葉混交林的上層樹種，在維持森林生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性上具有重要的價(jià)值。水青岡屬均為高大的落葉喬木，紋理直，質(zhì)略重，是使用最廣泛的硬木之一。另外，由于分布廣泛且化石資料豐富[5-6]，水青岡屬植物成為生態(tài)學(xué)和生物地理學(xué)研究的經(jīng)典材料。

譜系地理學(xué)（Phylogeography）于1987 年由Avise提出，是研究物種及群體分布格局、演化過(guò)程和歷史形成原因的學(xué)科，該學(xué)科為分子系統(tǒng)學(xué)和群體遺傳學(xué)架構(gòu)了橋梁。通過(guò)分子生物學(xué)手段分析群體遺傳結(jié)構(gòu)及基因譜系空間分布，來(lái)探討物種譜系地理格局的現(xiàn)有分布特征、系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系及追溯物種和群體的歷史進(jìn)化過(guò)程，并驗(yàn)證相關(guān)古地質(zhì)歷史事件，是譜系地理學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容[7]。為了進(jìn)一步研究水青岡屬植物，對(duì)水青岡屬植物的起源和不同譜系生物地理學(xué)研究進(jìn)行梳理和探討。

1 水青岡屬的起源

有關(guān)水青岡屬生物地理格局的形成，存在兩個(gè)截然相反的假說(shuō)。由于中國(guó)擁有世界上最多的水青岡物種多樣性，根據(jù)現(xiàn)有物種的地理分布，DIVA（dispersal-vicariance analysis）分析認(rèn)為水青岡屬可能起源于中國(guó)，然后遷移到北半球其他地區(qū)（out-of-China scenario）。然而，化石資料[8]卻表明，水青岡屬在始新世中期起源于北太平洋地區(qū)（亞洲東北部和北美西北部）；漸新世時(shí)，水青岡向西擴(kuò)張至亞洲中部，形成歐亞大陸支系（continental Eurasian lineage）和北太平洋支系（northern Pacific lineage）；中新世時(shí)，水青岡遍及北半球直至冰島（接近北極圈）等高緯度地區(qū)；直到中新世以后，水青岡開始在高緯度地區(qū)（如中亞和北美西部）退縮甚至滅絕，并陸續(xù)向南遷移，形成現(xiàn)代種類。因此，米心水青岡直到上新世才從東北亞進(jìn)入中國(guó)，并與中新世時(shí)從中亞或東北亞大陸遷入的亮葉水青岡和臺(tái)灣水青岡與長(zhǎng)柄水青岡的祖先相遇，形成現(xiàn)今多種水青岡共存于中國(guó)亞熱帶山地的格局（northern hemispheric ancestor scenario）。王麗娜等[9]采用軌跡分析方法對(duì)水青岡屬的地理分布進(jìn)行了探討，但水青岡屬的共有軌跡鏈接并不能解釋其生物地理格局。蔣露等[1]使用28個(gè)單/低拷貝核基因，構(gòu)建化石標(biāo)定的物種樹，并進(jìn)行生物地理推斷等分析，結(jié)果支持水青岡屬起源于北太平洋地區(qū)的假說(shuō)。水青岡屬可能在始新世晚期起源于北太平洋地區(qū)，更新世時(shí)期水青岡隨冰川進(jìn)入東亞、北美和西歐亞大陸，中亞和北美西部高緯度地區(qū)分布范圍縮小或滅絕，形成了水青岡屬現(xiàn)代分布格局。

2 歐洲和北美譜系研究進(jìn)展

歐洲水青岡（F.sylvatica）和東方水青岡（F.orientalis）關(guān)系十分緊密，在譜系地理學(xué)方面，關(guān)于歐洲水青岡的研究較多，并且所有研究都表明了歐洲水青岡的譜系地理格局是由冰期后的擴(kuò)散遷移引起的。Magri等[10]結(jié)合孢粉學(xué)、cpDNA、nDNA 三方面的證據(jù)對(duì)歐洲水青岡冰期避難所和冰期后的分布范圍進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)歐洲水青岡在末次冰期的分布較小，冰期避難所呈鑲嵌狀零星分布在多個(gè)地區(qū)，冰期后又沿著零散的中心緩慢擴(kuò)張。歐洲中部避難所從地中海避難所分離出來(lái)，地中海避難所對(duì)歐洲水青岡在歐洲中部和北部的擴(kuò)散沒(méi)有貢獻(xiàn)，山脈不僅沒(méi)有阻礙歐洲水青岡的擴(kuò)散，反而有利于其擴(kuò)散。Sj Lund 等[11]基于葉綠體和核微衛(wèi)星標(biāo)記分析了英國(guó)42 個(gè)歐洲水青岡（Fagus sylvatica）群體的遺傳結(jié)構(gòu)，并使用近似貝葉斯計(jì)算框架分析其定殖歷史，結(jié)果表明，細(xì)胞核標(biāo)記中的遺傳多樣性水平比葉綠體基因更高；東南部的本地種群?jiǎn)伪缎蛿?shù)量最多，單倍型呈現(xiàn)從南到北的分布格局。Gomory 等[12]用12 個(gè)同工酶位點(diǎn)研究了歐洲和西亞地區(qū)水青岡物種復(fù)合體F.sylvatica和F.orientali不同類群之間因基因流引起的網(wǎng)狀進(jìn)化，結(jié)果表明與上新世和更新世氣候波動(dòng)相關(guān)的水青岡范圍的擴(kuò)張和收縮，導(dǎo)致了區(qū)域種群之間基因庫(kù)的接觸和交換，以及由于不完全譜系分選而共享祖先多態(tài)性。

大葉水青岡（F.grandifolia）分布于北美東南部大部分地區(qū)，而墨西哥水青岡（Fagus mexicana）僅在墨西哥東部的韋拉克魯斯州亞熱帶地區(qū)發(fā)現(xiàn)，并存在于一座火山的山地云霧森林避難所。花粉記錄顯示[13]，大葉水青岡最早可能存在于全冰川時(shí)期的美國(guó)威斯康星州地區(qū)，沒(méi)有本地化的“避難所”。14000 年前大葉水青岡開始以極低的種群密度向北遷移，隨后由于氣候條件極佳，種群在東南部局部地區(qū)快速擴(kuò)張[14]。古生態(tài)記錄表明，整個(gè)全新世大葉水青岡分布范圍一直在不斷擴(kuò)大，在勞倫太德冰蓋倒塌之后，大葉水青岡進(jìn)入五大湖地區(qū)，由于密歇根湖的阻礙作用，發(fā)生了一次遠(yuǎn)距離擴(kuò)散事件，分布范圍達(dá)到了目前的地理極限，但現(xiàn)在仍有一些地區(qū)在緩慢擴(kuò)張[15]。

3 東亞譜系研究進(jìn)展

3.1 日本和韓國(guó)水青岡屬譜系地理研究

日本雖然只有圓齒水青岡（F.crenata Blume）和日本水青岡（F.japonica Maxim）2 個(gè)種，但是在譜系地理學(xué)研究方面卻開展了許多研究。日本水青岡主要分布在本州北部、四國(guó)和九州的太平洋一側(cè)，而圓齒水青岡從北海道南部到九州分布廣泛。Tomaru 等[16]利用RFLP標(biāo)記研究了日本圓齒水青岡的種內(nèi)變異及譜系地理分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了8 種單倍型，單倍型的變異呈現(xiàn)出較強(qiáng)的地理結(jié)構(gòu)，可能反映了該物種末次冰期后的分布及其擴(kuò)張。Fujii 等[17]對(duì)45 個(gè)圓齒水青岡種群葉綠體DNA 上的trnL-F 片段的非編碼區(qū)和trnK 區(qū)2 個(gè)片段進(jìn)行了研究，得到13 個(gè)單倍型，每個(gè)單倍型都具有地理結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)發(fā)育分析中發(fā)現(xiàn)2 個(gè)主要的進(jìn)化枝，其分布表明圓齒水青岡有2 條歷史遷徙路線：一條沿日本海岸向北擴(kuò)散，另一條沿日本群島的太平洋一側(cè)向北擴(kuò)散。Okaura 等[18]用3 個(gè)非編碼葉綠體DNA 片段，對(duì)21 個(gè)圓齒水青岡群體和4 個(gè)日本水青岡群體進(jìn)行了種內(nèi)遺傳變異研究，結(jié)果表明圓齒水青岡中區(qū)分出7 種單倍型，單倍型的地理分布在圓齒水青岡中高度結(jié)構(gòu)化，所有單倍型都被認(rèn)為是來(lái)自不同的冰川避難所。系統(tǒng)發(fā)育分析表明，2 種日本水青岡存在共享祖先多態(tài)性或古老基因滲入。

多脈水青岡（F.multinervis）分布于韓國(guó)南部Ulleungdo 島嶼上，在形態(tài)上與日本水青岡（F.japonica）和米心水青岡（F.engleriana）非常接近，Oh[19]用cpDNA 追蹤種子，探討了Ulleungdo 島嶼上多脈水青岡的起源，結(jié)果表明，多脈水青岡遺傳多樣性很高，具有顯著較低的cpDNA 單倍型多樣性；花粉記錄顯示，多脈水青岡種子從大陸地區(qū)進(jìn)入島嶼，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期地理隔離，導(dǎo)致其單倍型多樣性目前呈現(xiàn)較低水平。

3.2 中國(guó)水青岡屬譜系地理研究

近年來(lái)，我國(guó)植物譜系地理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)亞熱帶植物對(duì)晚新生代以來(lái)氣候變化的響應(yīng)模式，迥異于歐洲和北美東部地區(qū)[20-25]。有孢粉學(xué)證據(jù)表明，第三紀(jì)晚期，水青岡在中國(guó)的東北地區(qū)也有廣泛分布。到第四紀(jì)初期，其分布區(qū)收縮到南方亞熱帶地區(qū)，尤其在福建省的西部迅速擴(kuò)張，而中國(guó)北部幾乎沒(méi)有分布。末次冰期，水青岡繼續(xù)向南遷移，在雷洲半島也曾發(fā)現(xiàn)了水青岡的孢粉化石[26]。但是冰期結(jié)束后，全新世（Holocene）時(shí)期氣候回升，喜馬拉雅山隆起和青藏高原抬升，我國(guó)西北、華北大陸性氣候加強(qiáng)，東部和西南部形成季風(fēng)性氣候，使我國(guó)水青岡并沒(méi)有像歐洲水青岡一樣由南部重新向北部擴(kuò)散，氣候條件使水青岡繼續(xù)保留在南方亞熱帶地區(qū)并迅速擴(kuò)張[27]。

中國(guó)水青岡屬植物分布區(qū)變遷模式比較復(fù)雜，不完全符合“收縮-擴(kuò)張”模型，存在多個(gè)冰期避難所[28]。雷鳴等[29]利用2 個(gè)葉綠體序列在25 個(gè)米心水青岡（F.engleriana）群體中檢測(cè)出6 種單倍型，單倍型分布格局表明，在整個(gè)更新世氣候變化中，米心水青岡在多處避難所中零散分布，并且經(jīng)歷了有限的冰期和冰后期擴(kuò)張；研究結(jié)果證實(shí)，多個(gè)避難所之間的長(zhǎng)期隔離，再加上不同避難所種群之間的有限接觸，為種群分化和異源物種形成提供了更多機(jī)會(huì)。劉美華[30]對(duì)長(zhǎng)柄水青岡（F.longipetiolata）的譜系地理學(xué)研究也表明，長(zhǎng)柄水青岡在冰期可能存在多個(gè)避難所，東部和西部有2 種不同的避難所格局，東部避難所位于武夷山兩側(cè)，西部避難所則存在于廣西和貴州一帶。冰期后氣候等環(huán)境條件限制了長(zhǎng)柄水青岡種群大規(guī)模的擴(kuò)張，但存在多條遷移路線，東部避難所的種群一部分沿武夷山脈東側(cè)向北擴(kuò)散，另一部分則沿武夷山西側(cè)向北擴(kuò)散，最終到浙江地區(qū)匯集；西部避難所種群在冰期后沿四川盆地向北擴(kuò)散。

亮葉水青岡（F.lucida）和長(zhǎng)柄水青岡（F.longipetiolata）是水青岡屬中親緣關(guān)系最密切的姊妹物種，二者分布區(qū)高度重疊。張志勇等[31]對(duì)亮葉水青岡和長(zhǎng)柄水青岡進(jìn)行比較譜系地理學(xué)分析，利用化石標(biāo)定重新估算了2 種水青岡的分化時(shí)間為6.36Ma，顯示出特異性的馬賽克鑲嵌式單倍型分布，但亮葉水青岡種群內(nèi)遺傳多樣性比長(zhǎng)柄水青岡高很多。研究結(jié)果表明，由于中新世時(shí)期中亞干旱季風(fēng)氣候加劇，中國(guó)水青岡屬向南遷移；第四紀(jì)時(shí)期，中國(guó)亞熱帶山區(qū)長(zhǎng)期隔離，基因流（gene flow）有限，導(dǎo)致了當(dāng)前物種特有的鑲嵌譜系分布。殷曉潔等[32]利用MaxEnt 對(duì)長(zhǎng)柄水青岡進(jìn)行潛在分布區(qū)預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)其分布區(qū)范圍主要受降水控制，在西部的甘肅、四川和云南等地的分布受溫度和太陽(yáng)輻射影響較大，而在北界，即陜西、湖北和湖南等省的分布取決于季節(jié)變化。

臺(tái)灣水青岡（F.hayatae）是我國(guó)二級(jí)保護(hù)植物，呈現(xiàn)出中國(guó)臺(tái)灣與大陸之間間斷分布的格局。應(yīng)凌霄等[33]利用核基因和葉綠體基因研究表明，該物種具有很高的遺傳多樣性，群體間具有較高的遺傳分化，除四川盆地內(nèi)部的物種外，該物種在整個(gè)范圍內(nèi)都存在明顯的植物地理結(jié)構(gòu)。在葉綠體序列中檢測(cè)到15 個(gè)單倍型，通過(guò)中性分析和失配分析，未發(fā)現(xiàn)近期種群擴(kuò)張，第四紀(jì)時(shí)期臺(tái)灣水青岡在中國(guó)四川盆地和東南部山區(qū)長(zhǎng)期處于地理隔離狀態(tài)，存在多個(gè)避難所。

4 問(wèn)題與展望

當(dāng)前水青岡屬譜系地理學(xué)研究已有較為詳細(xì)和深入的報(bào)道，但是依然存在以下問(wèn)題：①所采用的分子標(biāo)記較少。大多數(shù)研究選用了葉綠體序列，但葉綠體基因組為母系遺傳，不能反映父系的基因流；并且葉綠體基因組被視作單個(gè)位點(diǎn)，計(jì)算分化時(shí)間為單個(gè)基因分化時(shí)間，而非群體分化時(shí)間，對(duì)歷史動(dòng)態(tài)的推斷可能不夠準(zhǔn)確。另外，使用數(shù)量有限的核基因，可能無(wú)法排除譜系分選、選擇等因素的影響，從而無(wú)法代表其真實(shí)的遺傳歷史。②對(duì)種群動(dòng)態(tài)（群體擴(kuò)張、收縮等）往往采用失配分析（mismatch analysis），這種方法只能分析單個(gè)位點(diǎn)，且只能提供某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的種群動(dòng)態(tài)信息（靜態(tài)描述），而不能提供某一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的種群動(dòng)態(tài)過(guò)程[34-35]。③不同地區(qū)的譜系地理學(xué)研究采用的方法和采樣策略存在較大的差異，不同研究的結(jié)果不能直接比較。

利用多核基因數(shù)據(jù)與生態(tài)位模擬，從微觀和宏觀不同角度著手，定性和定量分析相結(jié)合，推測(cè)避難所的分布范圍，揭示種群現(xiàn)有分布格局形成的歷史演變過(guò)程，為探討水青岡屬物種形成機(jī)制、進(jìn)化歷史及生物多樣性保護(hù)具有重要意義。隨著測(cè)序技術(shù)的飛速發(fā)展，測(cè)序成本大幅下降，組裝高質(zhì)量基因組，進(jìn)行群體基因組重測(cè)序、轉(zhuǎn)錄組和代謝組學(xué)研究，結(jié)合木材、果實(shí)等形態(tài)學(xué)性狀，從全基因組尺度范圍，對(duì)水青岡屬植物的環(huán)境適應(yīng)性、雜交、物種形成、種群動(dòng)態(tài)、基因流和遺傳結(jié)構(gòu)等進(jìn)行更加深入的研究，為水青岡屬譜系地理分布格局和適應(yīng)性機(jī)制研究帶來(lái)了新的契機(jī)。