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为解决水生植物多样性探索不足的问题,研究人员对欧洲西南部毛茛属蛙足亚属(Ranunculus sect. Batrachium)开展研究。通过多种技术,发现 36 种细胞型、7 种倍性水平等。该研究揭示了其复杂多样性,对理解物种演化意义重大。
在神秘的植物世界里,水生植物一直有着独特的地位。以往人们普遍认为,水生植物的分布范围比陆生植物更广,且地方特有性较少。这是因为水生环境在大尺度上更为相似,水生植物一旦适应水中生活,借助克隆生长、长距离传播等优势,似乎能轻松占据众多相似的栖息地 。然而,现实真的如此简单吗?
随着研究的深入,这些传统观点开始受到质疑。水生植物体型较小且表型可塑性高,这使得通过形态学来发现新的进化特征变得极为困难。而且,对物种丰富的水生植物属及其演化的研究,也因缺乏现代的重新评估而进展缓慢。在欧洲,南部地区作为冰川避难所,物种丰富度极高,但这里的水生植物多样性却鲜少被详细研究。
毛茛属蛙足亚属(Ranunculus sect. Batrachium)便是这样一个充满谜题的水生植物类群。它是单系类群,具有高度的分类、生态和形态多样性,其多样性中心位于欧洲西南部。但它也是世界上分类学最具挑战性的水生植物类群之一,受到表型可塑性、多倍体化、杂交等多种因素影响,分类极为复杂。此前,在欧洲中部和东北部对该类群已有一些分子和细胞遗传学研究,但在其多样性中心欧洲西南部,相关研究却十分匮乏。
为了揭开毛茛属蛙足亚属在欧洲西南部的神秘面纱,来自捷克科学院植物研究所、南波希米亚大学科学学院植物学系、查尔斯大学科学学院植物学系的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Scientific Reports》上,为我们理解这一复杂植物类群提供了重要线索。
研究人员采用了多种关键技术方法。在样本采集方面,他们广泛收集了来自欧洲西南部(包括伊比利亚半岛、法国南部)、摩洛哥北部和英格兰南部的 587 个样本,涵盖了多种水生栖息地和形态变异。通过流式细胞术(Flow cytometry)对 576 个个体进行基因组大小估计,利用染色体计数确定部分细胞型的染色体数目,还对 313 个样本进行 DNA 测序(包括 ITS 核区域和两个非编码质体区域) ,并对测序数据进行分子数据分析。
研究结果主要包括以下几个方面:
- 细胞遗传多样性:研究区域内毛茛属蛙足亚属的形态和细胞遗传变异极为复杂。共区分出 36 种细胞型,涵盖 7 种倍性水平。其中只有 6 种与中欧先前发现的细胞型相同,还发现了 7 种隐存种、2 种无法分类的生物型和 9 种杂交种。部分物种存在倍性水平变异,如 R. fluitans(2x + 3x)等;一些物种在单一倍性水平内基因组大小也有显著差异。
- 单倍型变异:通过对两个质体区域序列的分析,区分出 34 种单倍型,识别出 6 个主要单倍型组。不同物种在单倍型分布上有明显差异,如 R. hederaceus 和 R. omiophyllus 等属于同一单倍型组,而 R. ololeucos 大部分样本形成单独的组。
- ITS 网络:记录到 189 种 ITS 基因型,构建的系统发育网络显示,去除杂交种和无法识别的生物型后,可区分出 5 个基本基因型组。一些分类群的序列表现出加性核苷酸多态性,表明存在杂交现象。
- 质体和 ITS 数据比较:对比核(ITS)和质体 DNA 的系统发育信息发现,许多分类群在两者中的分类存在不一致,这表明存在杂交或异源多倍体的反复起源。
在讨论部分,研究人员指出,欧洲西南部毛茛属蛙足亚属的多样性极高,且与当前分类概念仅部分一致。基于基因组大小和分子数据,发现了一些之前未被区分的分类群,但由于命名问题暂未正式描述。与中欧的研究相比,这里的遗传多样性更高。
在二倍体分类群关系上,二倍体物种可分为四个遗传上明显不同的组。R. fluitans 和 R. peltatus B 虽然形态不同,但遗传关系紧密,R. fluitans 可能是 R. peltatus B 在冰川消退后适应河流栖息地的结果。
多倍体物种的起源方面,部分多倍体可能是同源多倍体,如 R. fluitans 和 R. fluitans–R. peltatus B 的三倍体细胞型等;大多数多倍体物种可能是异源多倍体,但确定其确切亲本组合较为困难 。
与先前研究对比,一些物种在不同地区存在差异,如 R. baudotii 的 ITS 序列在中欧和欧洲西南部的同质化方向不同。此外,研究还发现了一些杂交种,其在欧洲西南部的频率低于更北部地区。
这项研究首次对毛茛属蛙足亚属在其假定的多样性中心进行了全面的分子和细胞遗传学研究。证明了该类群是研究物种形成多方面的优秀模型,揭示了地中海地区毛茛属蛙足亚属的多样性被严重误解,当前分类处理仅部分评估了其真实多样性。研究还表明,流式细胞术、染色体计数与 DNA 测序相结合,能有效揭示这一复杂类群的实际多样性。但由于该类群进化复杂,不建议仅使用单一 DNA 序列进行分类。这一研究为后续深入探索水生植物的演化和分类提供了重要基础,也让我们对植物多样性有了更深刻的认识。