虎耳草屬異葉虎耳草復(fù)合群的數(shù)量分類學(xué)研究

馬小磊 賈留坤 曹 倩 陳世龍 高慶波*

（1. 中國科學(xué)院西北高原生物研究所青海省作物分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810008；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國科學(xué)院昆明植物研究所中國科學(xué)院東亞植物多樣性與生物地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650201）

虎耳草屬（Tourn.ex L.）是虎耳草科（Saxifragaceae）最大的屬，該屬主要分布在北半球高山地區(qū)，全世界約有500 種，其中約有216 種分布于中國，139 種為中國特有。山羊臭組（sect.Haw.）是虎耳草屬中最大的一個(gè)組，擁有極高的物種豐富度，共有175 種，中國分布有166種，其中112 種為我國特有。國內(nèi)外多位學(xué)者基于形態(tài)學(xué)證據(jù)對虎耳草屬的分類做了詳細(xì)研究，發(fā)表了很多新種并對分類系統(tǒng)做了修訂，但山羊臭組組下分類一直未能被解決。Gornall在1987年提出的分類系統(tǒng)中，將山羊臭組分為7 個(gè)亞組；潘錦堂先生于1991 年將中國的虎耳草屬歸入4 個(gè)亞組；《Flora of China》（下稱FOC）中，Pan等未對國內(nèi)的山羊臭組進(jìn)行亞組劃分，而是依據(jù)形態(tài)學(xué)特征分為7 個(gè)Key，并分別編寫檢索表。近年來，多位學(xué)者基于形態(tài)學(xué)和分子生物學(xué)證據(jù)得出一致的結(jié)果，即確定了山羊臭組是一個(gè)單系類群（但組內(nèi)關(guān)系仍未解決），且支持將山羊臭組分為3 個(gè)亞組，其中唐古拉亞組（subsect.Engl.）單獨(dú)聚在一個(gè)分支上，構(gòu)成一個(gè)單系類群。

唐古拉亞組的分化時(shí)間短，輻射演化導(dǎo)致類群內(nèi)部的遺傳分化非常小，基于相對有限的分子生物學(xué)證據(jù)無法有效地建立亞組內(nèi)的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系?；谛螒B(tài)差異，可將唐古拉亞組分為山地虎耳草復(fù)合群（complex）、異葉虎耳草復(fù)合群（complex）和狹瓣虎耳草復(fù)合群（complex），分別對應(yīng)FOC 山羊臭組分種檢索表Key3、Key5 和Key6。異葉虎耳草復(fù)合群有29 個(gè)種和4 個(gè)變種被FOC 收錄并描述，4 個(gè)物種和1 變種被收錄但無描述，此外還有部分新種未被收錄或處理。異葉虎耳草復(fù)合群的共有特征為葉片灰綠色，葉緣具有突起的葉脈從基部延伸到先端。基于虎耳草屬葉脈模式的研究表明，葉緣具有突起的葉脈從基部延伸到先端的特征只在異葉虎耳草復(fù)合群中出現(xiàn)，暗示該類群可能有共同的起源。

數(shù)量分類學(xué)是具有一定效度的一種分類學(xué)研究方法，可以為完善分類系統(tǒng)的類群劃分提供參考，近年來仍被許多學(xué)者用于解決疑難類群的分類學(xué)問題，也被用于研究屬內(nèi)雜交以及種內(nèi)變異。本研究基于國內(nèi)各大標(biāo)本館館藏的虎耳草屬異葉虎耳草復(fù)合群物種標(biāo)本，利用聚類分析和主成分分析等方法，分析復(fù)合群內(nèi)物種間的形態(tài)差異，探討異葉虎耳草復(fù)合群的種間關(guān)系，并結(jié)合地理分布式樣分析其分布格局，進(jìn)行類群劃分，以期為進(jìn)一步探明唐古拉亞組系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系提供證據(jù)。

1 材料與方法

通過對中國科學(xué)院植物研究所標(biāo)本館（PE）、昆明植物研究所標(biāo)本館（KUN）、西北高原生物研究所青藏高原生物標(biāo)本館（HNWP）及青藏高原植物適應(yīng)與進(jìn)化課題組該類群標(biāo)本進(jìn)行查閱，共統(tǒng)計(jì)標(biāo)本1 192 份，包括31 個(gè)種、2 個(gè)變種，每份標(biāo)本統(tǒng)計(jì)42 個(gè)性狀。所有標(biāo)本均提取采集信息，并依據(jù)中國數(shù)字植物標(biāo)本館（CVH）的采集記錄進(jìn)行信息增補(bǔ)。分類性狀選擇參考《中國植物志》《Flora of China》《西藏植物志》《云南植物志》，對于部分缺失性狀的補(bǔ)充，優(yōu)先選取同一采集號標(biāo)本、同一采集地標(biāo)本或同一物種不同個(gè)體間出現(xiàn)次數(shù)最多的性狀。

對標(biāo)本信息進(jìn)行數(shù)字化過程中，舍棄部分鑒定有較大爭議、信息有大量缺失或有關(guān)鍵性狀缺失的標(biāo)本，最終選定657 份標(biāo)本進(jìn)行后續(xù)分析，包括24個(gè)種、2個(gè)變種（見表1）。對42個(gè)性狀進(jìn)行甄別，排除種內(nèi)存在較大變異的性狀和判別過程主觀性過強(qiáng)的性狀，最終選定24 個(gè)分類性狀用于后續(xù)分析（見表2）。使用IBM SPSS Statistics 26 軟件（下稱SPSS）進(jìn)行主成分分析（Principal Component Analysis，PCA），并以每個(gè)物種作為運(yùn)籌分類單元（OTUs），基于平方歐氏距離使用組間平均法進(jìn)行Q 型聚類分析。以每個(gè)物種作為OTUs 聚類時(shí)，性狀選取每個(gè)物種標(biāo)本中出現(xiàn)次數(shù)最多的性狀，部分性狀無法判別時(shí)，則參考物種描述選定，選定的性狀用SPSS對賦值標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行聚類分析。

表1 虎耳草屬異葉虎耳草復(fù)合群物種標(biāo)本記錄Table 1 Specimen records of S.diversifolia complex

表2 異葉虎耳草復(fù)合群分類特征及編碼Table 2 Taxonomic characteristics and encoding of S.diversifolia complex

對標(biāo)本采集信息進(jìn)行整理和修訂。對于標(biāo)本上出現(xiàn)的小地名，由于歷史原因有變更的地名，采集信息為英文、采集地采用音譯拼寫方法的地名均參考中國早期標(biāo)本采集地名考數(shù)據(jù)庫和《中國地名演變手冊（1912 年以來省市縣新老地名）》進(jìn)行人工校正；對于無采集地信息、采集地范圍過大、采集信息模糊等無法確定采集地點(diǎn)的標(biāo)本記錄予以舍棄。整理獲得的采集信息以縣級單位進(jìn)行合并，共得到443 份地理分布信息，涵蓋青海省和甘肅省、陜西省、四川省、湖北省、云南省、西藏自治區(qū)93個(gè)縣和尼泊爾一處采集記錄，包括異葉虎耳草復(fù)合群30 個(gè)種和1 個(gè)變種。通過Google Earth和百度地圖開放平臺坐標(biāo)拾取功能查詢分布地的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，使用ArcGIS 10.2 軟件繪制異葉虎耳草復(fù)合群物種分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1主成分分析

通過主成分分析法（PCA）提取7 個(gè)特征值大于1 的主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率為67.748%（見表3）。第1 主成分貢獻(xiàn)率為17.842%，第2 主成分貢獻(xiàn)率為16.709%，第3 主成分貢獻(xiàn)率為10.721%，前3 個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為45.272%。依據(jù)主成分分析中主成分負(fù)載量（見表4），第1 主成分中“基生葉葉基心形”“中下部莖生葉大小”“花序形態(tài)”“中下部莖生葉基部心形”“花梗被毛長度”“中下部莖生葉形態(tài)”的絕對權(quán)重比較高，分別為0.788、0.769、0.673、0.644、0.633、0.625；第2主成分中“萼片脈紋于先端匯合”“中下部莖生葉是否具柄”“存在莖生葉基部抱莖”“上部莖生葉基部心形”的絕對權(quán)重較高，分別為0.803、0.781、0.730、0.692；其余主成分中，“中下部莖被毛情況”“頂端莖生葉被毛情況”的絕對權(quán)重較高，分別為0.601、0.653。

表3 異葉虎耳草復(fù)合群主成分分析的特征值和貢獻(xiàn)率Table 3 Eigenvalues and percent of PCA of S. diversifo‐lia complex

表4 異葉虎耳草復(fù)合群形態(tài)性狀主成分分析前3個(gè)主成分負(fù)載量Table 4 Eigenvector of the first three greatest principal component in PCA of S.diversifolia complex

2.2地理數(shù)據(jù)分析

根據(jù)異葉虎耳草復(fù)合群的物種分布圖（見圖1），發(fā)現(xiàn)異葉虎耳草復(fù)合群擁有3 個(gè)多樣性中心，喜馬拉雅山地區(qū)、環(huán)四川盆地高山地區(qū)，以及橫斷山地區(qū)。排除廣布種的干擾后發(fā)現(xiàn)3 個(gè)分布中心之間有較明顯的地理間隔，僅少數(shù)物種（、等）在喜馬拉雅山地和橫斷山地區(qū)2 個(gè)多樣性中心均有分布。位于橫斷山的3 個(gè)縣（市）和香格里拉縣境內(nèi)采集到12 種、麗江市境內(nèi)采集到10 種、木里縣境內(nèi)采集到10 種，擁有相較于其他地區(qū)更高的物種多樣性。

圖1 異葉虎耳草復(fù)合群的物種分布Branch 1.喜馬拉雅山南坡分支；Branch 2.環(huán)四川盆地山區(qū)分支；Branch 3.橫斷山分支；圖中每個(gè)物種以不同顏色標(biāo)注，每個(gè)餅圖代表一個(gè)縣級單位的異葉虎耳草復(fù)合群物種多樣性；黑色橢圓表示3個(gè)物種多樣性中心；灰色物種表示其屬于異葉虎耳草復(fù)合群，有標(biāo)本采集信息但未參與聚類，其中Subo代表S.subomphalodifolia J.T.Pan；Smit代表S.smithiana Irmsch.；Egreg代表S.egregioides J.T.Pan；Sheq代表S.sheqilaensis J.T.Pan；Geda代表S.gedangensis J.T.Pan；Subam代表S.subamplexicaulis Engl.et IrmschFig.1 Species distribution of S.diversifolia complexBranch 1.Himalayan Branch；Branch 2.Mountains Around Sichuan Basin Branch；Branch 3.Hengduan Mountains Branch；Species are color-coded.Each pie chart represents species diversity at county level.Black ellipses represent the three centers of species diversity.Gray sectors represent spe?cies that belong to S.diversifolia complex but not included in our clustering.Where Subo is represents S.subomphalodifolia J.T.Pan，Smit is repre?sents S.smithiana Irmsch.，Egreg is represents S.egregioides J.T.Pan，Sheq is represents S.sheqilaensis J.T.Pan，Geda is represents S.gedangensis J.T.Pan，Subam is represents S.subamplexicaulis Engl.et Irmsch

2.3聚類分析

以每個(gè)物種作為OTUs 進(jìn)行聚類，對比經(jīng)典分類結(jié)果和地理分布，以平方歐氏距離等于12.5 為劃分線，可將異葉虎耳草復(fù)合群分為6 個(gè)分支（見圖2）：分支A 僅一個(gè)種；分支B 包括和；分支C 僅一 個(gè) 種；分支D 包 括、S.和；分支E 包括和；分支F 包括其余的15 個(gè)種和2個(gè) 變種。結(jié)合地理分布式樣，分支A、B、C、D 均分布于喜馬拉雅山地區(qū)，分支E 則分布于環(huán)四川盆地的高山環(huán)境，分支F 除廣布種外，主要分布在橫斷山地區(qū)。因此，可將異葉虎耳草復(fù)合群分為3 個(gè)分支，即喜馬拉雅山南坡分支、環(huán)四川盆地山區(qū)分支，以及橫斷山分支，其中橫斷山分支包含一個(gè)廣布種。參考碎石圖，選擇前2個(gè)主成分繪制二維坐標(biāo)空間，用每份標(biāo)本因子得分繪制散點(diǎn)圖（見圖2），將657 個(gè)OTUs 按所在分支用不同顏色標(biāo)注在散點(diǎn)圖中，依照形態(tài)聚類結(jié)果和地理分布式樣區(qū)分的3 個(gè)分支分離情況良好。

圖2 異葉虎耳草復(fù)合群物種主成分分析散點(diǎn)圖（A）和形態(tài)學(xué)聚類結(jié)果圖（B）Branch 1.喜馬拉雅山南坡分支；Branch 2.環(huán)四川盆地山區(qū)分支；Branch 3.橫斷山分支Fig.2 Scatter plot of PCA and morphological clustering results of S.diversifolia complexBranch 1.Himalayan Branch；Branch 2.Mountains Around Sichuan Basin Branch；Branch 3.Hengduan Mountains Branch

3 討論

主成分分析中，特征值大于1 的前7 個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率較小，說明山羊臭組植物在演化過程中的性狀變異較小，無明顯的規(guī)律性，這可能和山羊臭組物種是較晚演化出的類群，并在青藏高原地區(qū)經(jīng)歷快速輻射和多次擴(kuò)散事件有關(guān)?；⒍輰傥锓N多樣化和喜馬拉雅—橫斷山地區(qū)氣候變化以及地理環(huán)境等因素密切相關(guān)，而氣候作用下形成的寬松生態(tài)位和高的生態(tài)位進(jìn)化速率造就了唐古拉亞組的物種的快速多樣化。依據(jù)主成分分析結(jié)果，傳統(tǒng)分類中認(rèn)為是關(guān)鍵性狀的“基生葉花期凋落”“花瓣是否具斑點(diǎn)”“花梗被毛情況”等對所有主成分的貢獻(xiàn)值較低；檢索表中使用次數(shù)較多的“萼片被毛情況”和“花萼是否反折”在前3個(gè)主成分中的貢獻(xiàn)值并不高，這些性狀的分類價(jià)值在以往分類系統(tǒng)中或許被高估了。根據(jù)對標(biāo)本觀察，“基生葉花期凋落”受標(biāo)本采集者的采集習(xí)慣以及標(biāo)本制作方法的影響較大；“花瓣是否具斑點(diǎn)”在標(biāo)本中難以觀察。在一些物種中，“萼片是否被毛”（例如，和）和“萼片是否反折”（例如，）并非穩(wěn)定性狀。對標(biāo)本觀察發(fā)現(xiàn)和在“中下部莖生葉被毛情況”、“花萼是否反折”“花萼被毛情況”“萼片邊緣是否具睫毛”“花梗被毛情況”等方面均有較大變異，兩個(gè)物種的關(guān)鍵區(qū)別是萼片是否被毛，但這顯然不是一個(gè)穩(wěn)定性狀。傳統(tǒng)分類中認(rèn)為重要的性狀，如中下部“莖生葉是否具柄”“中下部莖生葉形態(tài)”“花序類型”“中下部莖生葉大小”“萼片脈紋于先端匯合”“葉基心形”等，在前3 個(gè)主成分中有較高的貢獻(xiàn)值，本研究肯定了其作為關(guān)鍵分類性狀的合理性。依據(jù)這些性狀可以對3個(gè)分支進(jìn)行區(qū)別：喜馬拉雅山南坡分支的共有特征為植株高大，上部葉片無柄，葉片心形，近抱莖，上下部葉片近同形，花序多為聚傘花序；橫斷山分支的主要特征為莖上部葉片多少具柄，莖上部葉片橢圓形或披針形，葉基楔形，極少心形，大部分物種上部葉片明顯小于下部葉片；環(huán)四川盆地山區(qū)分支與其他分支的主要區(qū)別特征為具有相較于其他分支更低的植株高度，葉片為三角形或三角狀卵形，并且小于其他分支，花序具單花或僅有少量花，這可能和其分布在高山草甸有關(guān)。從喜馬拉雅山南坡分支到橫斷山分支再到四川盆地分支表現(xiàn)出植株大小和葉片大小逐漸變小的趨勢。

聚類分析的部分結(jié)果和前人的研究一致，和聚在一個(gè)分支（分支B），、和聚為一支（分支D），兩個(gè)分支在潘錦堂1991 年的系統(tǒng)中分別隸屬于小泡系（ser.J.T.Pan）和春丕系（ser.J.T.Pan）；和聚為一支（分支E），該分支葉片邊緣突起的葉脈并沒有從基部貫穿到先端，和其他分支有明顯區(qū)別。結(jié)合聚類分析結(jié)果和分布式樣發(fā)現(xiàn)，異葉虎耳草復(fù)合群的物種多樣性分布格局與于海彬等對青藏高原特有種子植物多樣性分布格局的研究一致，該復(fù)合群物種在喜馬拉雅—橫斷山脈的物種多樣性最為豐富。橫斷山分支由15 個(gè)種和2 個(gè)變種組成，占所研究的異葉虎耳草復(fù)合群物種的三分之二，該分支的物種集中分布于大雪山、梅里雪山和貢嘎山之間的區(qū)域。聚類結(jié)果顯示，環(huán)四川盆地山區(qū)分支與喜馬拉雅山南坡分支的關(guān)系更近一些，這與地理分布不符，筆者推測3 個(gè)分支的祖先類群在較早的時(shí)間就已經(jīng)擴(kuò)散到3個(gè)多樣性中心分范圍，隨后才發(fā)生適應(yīng)性輻射，由于橫斷山獨(dú)特的氣候和地理?xiàng)l件，使得橫斷山分支的物種快速輻射，擁有更多的特有性狀，而另外兩個(gè)分支則保留了較多的祖系類群的特征。優(yōu)越虎耳草是異葉虎耳草復(fù)合群中的一個(gè)廣布種，形態(tài)性狀聚類顯示其應(yīng)該屬于橫斷山分支。賈留坤等對優(yōu)越虎耳草進(jìn)行了譜系地理學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)該物種居群沒有大規(guī)模擴(kuò)散信號。結(jié)合異葉虎耳草復(fù)合群的分化時(shí)間，筆者推測優(yōu)越虎耳草可能是從橫斷山附近起源，首先擴(kuò)散到與現(xiàn)在大致相同的分布范圍，后由于冰期等多種因素的影響，形成彼此隔離的避難所，隨后又發(fā)生原地?cái)U(kuò)散形成現(xiàn)在的分布式樣。

虎耳草屬是青藏高原上特有種最多的屬之一，對青藏高原生物多樣性研究和保護(hù)均具有很高的價(jià)值。分類學(xué)是生物學(xué)研究最基礎(chǔ)的工作之一，對異葉虎耳草復(fù)合群進(jìn)行分類學(xué)研究，能夠?yàn)樵擃惾何锓N的其他研究工作提供便利。對異葉虎耳草復(fù)合群進(jìn)行數(shù)量分類學(xué)的研究雖不足以用于分類系統(tǒng)修訂，但能基于大量數(shù)據(jù)得出一個(gè)具有最大預(yù)測性的純表征分類，為進(jìn)一步探究和理解唐古拉亞組內(nèi)部系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系提供思路。