中国西南山地的地理隔离驱动了物种快速分化

　　

　　物种复合群(species complex)是一些亲缘关系较近、表型差异较小的物种所构成，常包含可能未被描述的物种，或称隐形种(cryptic species)。由于物种复合群的形态性状相似，物种分布信息不太清楚等因素，使得复合群的物种数目及物种界定难以确定。通常、这样的物种复合群常出现在物种丰富的分类群中和物种多样化中心，如中国西南山地列当科马先蒿属(Pedicularis L.)植物存在不少物种复合群。马先蒿属是北温带草本类大属，全球约有600-800种，其中中国喜马拉雅—横断山地区有400余种，中国西南山地是该属的物种多样化和特有中心。马先蒿属的分类学、DNA条形码和分子系统学研究表明，中国西南山地存在不少马先蒿属物种复合群，它们的物种分类和界定等问题给解析该属植物的物种多样化形成和演化带来了一定困扰。 

　　近年来版纳植物园综合保护中心科研人员一直致力于马先蒿属植物的研究，近日研究团队与合作者选取了管花马先蒿复合群（Pedicularis siphonantha complex）作为研究对象(图1)，对中国西南山地至喜马拉雅地区的11个种进行了广泛采集，共计57个居群66份样品；利用Sanger测序获取核糖体转录间隔区（nrITS）以及四个质体基因片(matK、rbcL、trnL-F和trnH-psbA)序列；基于系统发育分析，结合形态、地理分布信息等，澄清了该物种复合群中物种界定和种间关系，并解析该类群的物种多样性形成和演化成因。 

　　1）管花马先蒿复合群的物种界定和澄清种间关系 

　　不同数据集单独的系统发育分析表明核糖体ITS数据集和质体基因片段联合数据获得的系统发育拓扑结构不完全一致(图2)，即在核糖体ITS系统发育树上(图2左)，未知种1 (Pedicularis sp. 1)和（新拟）宁蒗马先蒿(P. dolichosiphon (Hand.-Mazz.) H.L.Li）分别嵌套在滇西北马先蒿(P. milliana W.B.Yu, D.Z.Li & H.Wang)和狭管马先蒿(P. tenuituba Pennell & H.L.Li)的分支中。在质体基因联合数据系统发育中(图2右)，未知种1嵌套在丽江地区的滇西北马先蒿中，其余滇西北马先蒿构成另一个分支；宁蒗马先蒿和纤管马先蒿构成姐妹群。 

　　为了进一步解析拓扑结构不一致的原因，研究团队针对不同的数据集进行了遗传距离估算、网状进化分析、以及拓扑结构冲突检验。整合多方面证据的表明系统发育关系冲突的物种或者群体都是与分布区重叠的物种之间遗传关系密切，因此推测这些物种之间在过去发生过杂交事件，随后的基因渐渗或回交可能是造成系统发育拓扑结构冲突的主要原因。例如，丽江地区的滇西北马先蒿可能与之形喙马先蒿可能存在古杂交事件，随后杂交子代与滇西北马先蒿持续回交导致了基因渐渗发生，由于渐渗的程度不一致，导致丽江较高海拔地区的渐渗种形态与滇西北马先蒿类似，而较低海拔的未知种1形态接近之形喙马先蒿；宁蒗马先蒿的来源可能与未知种1具有相似的模式，因为它与纤管马先蒿和狭管马先蒿之间呈网状关系。通过综合和比较分析系统发育分析冲突的原因，研究团队剔除样本中与形态聚类不一致的序列(宁蒗马先蒿的核糖体ITS序列；滇西北马先蒿样品F11-F14的质体基因片段)，然后将核糖体ITS序列与质体基因片段序列串联成超级矩阵，系统发育分析结果表明所有物种之间系统发育关系得到了较好的解决(图3)；未知种2由于独特的形态性状，以及较为独立的系统发育位置，建议将其作为一个新物种；未知种1初步推测可能杂交起源的物种，其系统地位需从核基因组中获取更多证据。 

　　2）管花马先蒿复合群的物种多样性的演化和成因 

　　基于超级矩阵数据集估算管花马先蒿复合群的祖先分化时间的结果表明(图3)，该物种复合群的祖先起源于中新世晚期约8.79Ma (95%HPD, 6.04Ma–10.38Ma)，进化分支Clade 1和Clade 2，以及内部物种的形成和演化主要集中在中新世晚期至上新世之间 (2.28Ma–6.89Ma)，这可能与这时期横断山的地区山体运动和抬升关系密切。进一步的祖先分布区重建表明管花马先蒿复合群祖先存在于横断山南部(IIb)，随后向横断山北部以及喜马拉雅地区(Ⅲc，Ⅲa)扩散，其中Clade 1中物种主要在横断山北部以及喜马拉雅地区形成和演化，Clade 2物种主要在横断山南部形成和演化。所有物种均具有相对独立的物种分布区，部分分布区重叠的物种则在海拔或生境上发生分化，极少能见到该复合群的物种同域/邻域分布，因此分布信息可作为物种鉴定的重要依据。 

　　基于现有的证据研究团队推测管花马先蒿复合群祖先可能在高山草甸中具有较强的适应性，物种复合群形成初期就在喜马拉雅—横断山地区之间扩散，中国西南山地地区的山体运动和抬升可能造成管花马先蒿复合群的物种之间呈现不重叠的岛屿状分布格局，从而促进了物种的隔离和分化。同时，具有地理分布广的滇西北马先蒿和狭管马先蒿在过去发生了种群扩张，扩张过程中与分布重叠的物种发生了杂交、基因渐渗，从而形成一些网状演化关系。 

　　马先蒿属是喜马拉雅—横断山区域物种多样化的代表属之一，基于管花马先蒿复合群物种的研究，揭示了这一地区的一种主要物种形成和演化模式，即山体运动和抬升引起的异域物种形成，同时物种迁移扩散形成的二次接触可能会造成种间杂交和基因渐渗发生，这种物种形成模式对于理解喜马拉雅—横断山地区物种多样化提供一种例证。以上研究结果应Stefan Wanke教授和Susann Wicke教授邀稿，以“Cryptic Species Diversification of the Pedicularis siphonantha Complex (Orobanchaceae) in the Mountains of Southwest China Since the Pliocene”为题2022年3月24日发表在Frontiers in Plant Science，收录到“Phylogenomic Discordance in Plant Systematics”专辑中。生物多样性研究组硕士研究生刘荣为论文第一作者，郁文彬研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、中科院、云南省等项目的支持。 

　　图1. 管花马先蒿复合群物种的花部形态照片图  

A. 狭管马先蒿; B. 纤管马先蒿; C. 宁蒗马先蒿(新拟); D, 管花马先蒿; E. 未知种2 (轿子雪山); F. 滇西北马先蒿; G. 未知种1 (玉龙雪山); H. 之型喙马先蒿; I. 变色马先蒿; J. 修花马先蒿; K. 矮马先蒿; L. 台氏马先蒿. 

　　  　图2. 核糖体ITS数据集(左)和质体基因联合数据集(右)构建的管花马先蒿复合群系统发育关系框架 

　　图3. 管花马先蒿复合群物种祖先分布区推断