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胡枝子属(Lespedeza Michx.)隶属于豆科山蚂蝗族(Desmodieae),全世界约有40余种,间断分布于东亚和北美。目前,该属植物的起源、系统地位、物种界限、种间(内)亲缘关系研究还较少,存在的系统学问题颇多,有待深入研究。本研究选择世界范围内胡枝子属植物为研究对象,旨在通过馆藏标本研究和野外居群调查,并结合花粉形态和分子性状等证据开展系统学研究,探讨该属的系统发育关系以及与近缘属之间的亲缘关系,同时探讨一些在胡枝子属进化历史中扮演重要角色的生物学过程(如杂交、基因渐渗),完成该属的分类学修订及建立更为自然的属下分类系统。主要研究结果如下:
1.形态性状
本文研究馆藏腊叶标本7000余份,主要研究该属植物主要形态分类性状的变异规律及其分类意义,并在野外观察了130余个胡枝子居群,对主要形态性状在居群间及居群内的变异式样进行了比较观察。研究发现,茎的体态、有无闭锁花、花冠颜色、花序与叶片相对长短、萼裂片分裂程度及形状、幼苗形态和冬芽芽鳞排列顺序等是比较可靠的分类性状,具有重要的分类价值。但研究中也发现有些相对稳定的性状有时也表现出不同程度的变异。因此,在分类处理时应尽可能利用较多的分类性状或性状组合。
2.花粉形态
在光镜和扫描电镜下观察和测量了产自中国、日本及美国的39种胡枝子属及3种近缘属植物的花粉形态特征。研究结果显示:该属植物的花粉立体形状为球形,近长球形或长球形,赤道面观为椭圆形或近圆形,极面观为三裂圆形或三角圆形。具三孔沟,沟较长,沟缘光滑或不平。属内花粉形态差异主要表现在萌发器官及外壁纹饰。根据花粉萌发沟的大小及内孔形态特征的区别可以将该属植物花粉的萌发器官划分为3种类型:(Ⅰ)沟长/沟宽:2.87-4.85,沟宽3.57-7.09lxm,沟中间最宽,往两极明显变窄;内孔近圆形,孔膜明显外突(e.g.Fig.5:H)。(Ⅱ)沟长/沟宽:7.16-10.51,沟宽2.01-2.69 UM,沟中间比两极稍宽;内孔狭长,孔膜具小瘤(e.g.Fig.2:B)。(Ⅲ)沟长/沟宽:15.20-54.57,沟宽0.5-1.45 utm,沟狭长近等宽;内孔不明显,孔膜具小瘤(e.g.Fig.3:T)。Subgen.Macrolespedeza具有类型Ⅰ和类型Ⅱ萌发器官而subgen.Lespedeza具有类型Ⅱ和类型Ⅲ萌发器官。扫描电镜下外壁表面具穴状、细网状或网状纹饰,网眼内模糊、光滑、穿孔或具瘤状突起。花粉数据基本支持两个亚属的划分,Subgen.Macrolespedeza花粉粒极轴长(18.94-23.07 um)通常小于subgen.Lespedeza(25.04-32.11 um)。此外,花粉数据也为那些分类比较困难的近缘物种提供了独特的分类信息,例如Lespedezajuncea复合群,Lespedeza viatorum复合群以及Lespedeza angustifolia和L leptostachya。同时,我们基于花粉形态特征建立了一个胡枝子分种检索表。
3.分子系统学
选取产自东亚及北美的Lespedeza40个种及其近缘属共计101个样品,通过最大简约法(maximum parsimony)、最大似然法(maximum likelihood)以及贝叶斯法(Bayesian inference)对核基因片段ITS和5个叶绿体基因片段(rpll6,rp132-trnL,rpsl6-trnQ,trnL-F,trnK/matK)的序列信息进行分析,探讨该属与其近缘属之间的亲缘关系以及胡枝子属内的系统发育关系。分析结果表明:Lespedeza、Campylotropis以及Kummerowia都是单系类群,Kummerowm和Lespedeza是姐妹群关系,Campylotropis与Kummerowia+Lespedeza这一分支是姐妹群关系;基于传统形态划分的两个亚属(subgen.Lespedeza和subgen.Macrolespedeza)没有一个是单系类群;地理上间断分布的北美类群和东亚类群都是单系类群且互为姐妹群;核基因树和叶绿体树拓扑结构不一致,暗示基因渐渗及不完全谱系重排在胡枝子属的进化历史中可能扮演了重要角色。采用松散分子钟方法对胡枝子属内及与近缘属间的分化时间进行了估算。结果表明:Kummerowm和Lespedeza在晚渐新世(约9.2 mya)分化以后,Lespedeza迅速分化为两支(约8.2 mya),北美分支和东亚分支;北美类群的祖先迅速通过白令海峡迁到北美,之后东亚和北美类群几乎同时开始独立分化。
另外,我们还对胡枝子属35个种的41个样品的ITS序列进行了大量的克隆分析,共得到348个克隆子,其中有265个是不同的克隆子。如此高的多态性暗示胡枝子属内存在明显的ITS致同进化不完全现象。更为有趣的是,克隆子在两个亚属的分布模式截然不同:在subgen.Macrolespedeza中,来自各个不同物种的克隆子完全混合在一起,这表示ITS基因在本亚属内致同进化速率较低和可能存在的广泛的杂交现象;然而,来自subgen.Lespedeza不同物种的克隆子各自聚为一个单系或者关系尚未解决而并列于某分支基部,这表示ITS基因在本亚属内致同进化速率较高或较少的杂交现象。两个亚属克隆子分布模式的差异可能与它们各自不同的进化历史有关。
4.分类处理
依据形态特征,结合分子证据(ITS、rpl16、rp132-trnL、rps16-trnQ、trnL-F、trnK/matK)和细胞学证据对胡枝子属下划分作了如下探讨:取消原来的两个亚属,将胡枝子属植物分为四个组。将横断山铁马鞭(L.fasciculiflora var.hengduanshanensis)提升为种的等级,同时描述一新种一江西胡枝子(Lespedezajiangxiensis)。