東亞-北美間斷分佈植物類群的起源和演化是植物進化和生物地理研究的熱點。小檗科(Berberidaceae)鬼臼亞科(Podophylloideae)植物含鬼臼毒素,是著名的抗癌藥用植物,呈典型的東亞-北美東部(EA-ENA)間斷分佈。該亞科包括4屬12種,其中,八角蓮屬(Dysosma)為中國特有,包括7個種;山荷葉屬(Diphylleia)包括3個種,即北美山荷葉(D.cymosa)、日本山荷葉(D. grayi)和南方山荷葉(D. sinensis);北美東部的足葉草屬(Podophyllum)以及分佈於喜馬拉雅地區及其鄰近地區的桃兒七屬(Sinopodophyllum)均僅包括1個種。長期以來,該亞科屬及種間的系統發育關係一直存在爭議,其間斷分佈和物種多樣性地區差异的形成機制也不清楚。
近日,武漢植物園東亞植物演化、保護與利用學科組邱英雄研究員團隊在Molecular Phylogenetics and Evolution期刊發表題為“Phylogenomics and persification drivers of the Eastern Asian–Eastern North American disjunct Podophylloideae”的研究論文。該研究利用系統發育基因組學方法構建了高支持率的系統樹,結合生物地理學分析,揭示了該亞科EA-ENA間斷分佈格局的形成過程,以及導致東亞和北美物種多樣性不平衡的原因。具體研究結果如下:
首先,基於轉錄組篩選單拷貝的系統發育樹結果表明鬼臼亞科、八角蓮屬和山荷葉屬均為單系,桃兒七屬為鬼臼亞科的最基部類群,依次分化出山荷葉屬、足葉草和八角蓮屬(圖1a)。其次,化石校正的鬆散分子鐘以及祖先分佈區重建結果顯示,鬼臼亞科在始新世晚期起源於喜馬拉雅—橫斷山脈地區,在中新世中期(約13.14 Ma)發生分化,中新世晚期開始向東遷移至中國中東部,2次獨立拓殖至日本和北美東部(圖1b)。花祖先性狀重建和依賴性狀的物種分化速率分析表明,花朵朝向與物種分化速率呈正相關(圖2abc)。生態位差异分析結果表明,東亞和北美以及東亞內部物種之間均存在生態位分化,其中東亞3個區域(喜馬拉雅區域、中國中東部區域和日本區域)之間的生態位分化主要受到海拔和溫度季節性變化的影響(圖2d)。綜上所述,鬼臼亞科在東亞和北美之間的物種多樣性差异是由於東亞為該亞科的起源地,囙此具有更長的時間積累物種,同時該地區複雜的地形和環境異質性進一步促進了物種的分化和性狀創新。本研究對理解東亞-北美植物間斷分佈格局的起源、演化過程和物種多樣性形成機制具有重要的啟示意義。
浙江大學博士研究生葉文清和博士後朱珊珊為論文共同第一作者,武漢植物園邱英雄研究員為通訊作者。研究工作得到了國家自然科學基金專案資助。
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圖1鬼臼亞科系統發育樹(a),分化時間以及祖先分佈區重建(b)。
圖2祖先性狀重建(a)花朵朝向和(b)花序類型,(c)花朵朝向對物種分化速率的影響,(d)生態位分化分析。