天山郁金香（*Tulipa iliensis*）的谱系地理格局及第四纪气候波动对其种群遗传结构的影响

《Scientia Horticulturae》：Phylogeographic pattern of Tulipa iliensis and the impact of quaternary climate fluctuations on its population genetic structure

　　

天山郁金香（*Tulipa iliensis*）是一种多年生鳞茎植物，在中亚干旱区具有重要的生态与进化意义，其呈斑块状分布且扩散能力有限，是开展谱系地理学研究的理想体系。本研究利用叶绿体DNA（chloroplast DNA, cpDNA）和核糖体内转录间隔区（nuclear ribosomal internal transcribed spacer, nrITS）序列，对中国新疆29个天山郁金香种群的遗传多样性、谱系地理结构、分化历史及种群动态进行了综合评估。结果共检测到8个cpDNA单倍型，显示出显著的区域遗传分化，且各地理区域间单倍型共享有限。相比之下，共鉴定出72个nrITS核糖体型，表明其具有更高的遗传多样性，且核糖体型在区域间广泛共享，仅伊犁（YL）种群形成了相对独特的核遗传谱系。系统发育分析表明，基于两种分子标记推断的谱系均起源于约31.60 Ma（百万年前），主要的单倍型分化事件主要发生在新近纪中新世至上新世时期。祖先分布区重建显示，祖先种群可能占据了较为广泛的分布范围，随后在地理隔离和环境变化驱动下形成了具有地理结构的谱系。历史种群动态分析表明，天山郁金香整体经历了历史上的种群扩张。在研究的各种群组中，乌鲁木齐（WLMQ）种群表现出显著的扩张信号，而伊犁（YL）种群则未显示出近期扩张的证据，表明该种群可能在长期内保持了相对稳定的种群历史，并在第四纪冰期充当了天山郁金香的避难所。综合分析表明，中新世天山山脉的隆升及相关的环境变化奠定了天山郁金香现代遗传结构的基本框架，而第四纪冰期-间冰期旋回进一步塑造了其种群历史。种子扩散受限与花粉介导的基因流共同作用，最终形成了该物种以显著的cpDNA谱系地理结构和nrITS变异相对较弱的地理分化为特征的遗传格局。

**天山郁金香（*Tulipa iliensis*）的谱系地理格局与第四纪气候波动对其种群遗传结构的影响**

**1. 研究背景与科学问题**

天山郁金香（*Tulipa iliensis*）隶属于百合科（Liliaceae）郁金香属（*Tulipa*），主要分布于中国新疆天山北坡及哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、吉尔吉斯斯坦等中亚国家，是中亚山地-荒漠过渡带的重要植物区系成分，也是新疆典型的早春类短命植物。此类植物在早春短暂的水热适宜期内完成萌发、营养生长、开花和结果的全部生活史，对维持荒漠生态系统早春植被覆盖、养分循环和区域植物多样性具有重要生态功能。由于生活史短、世代更替快且地理分布受限，早春类短命植物对历史气候波动高度敏感，是研究干旱区植物进化历史、遗传分化和谱系地理过程的理想材料。

新疆地处欧亚大陆腹地，是典型干旱区和中亚植物区系的重要组成部分。自第三纪以来，青藏高原持续隆升、古特提斯洋退却以及第四纪冰期-间冰期气候振荡共同塑造了该区域复杂的地貌和生态环境，这些地质事件和古气候变化被认为是驱动区域植物遗传分化、谱系形成和种群动态的主要因素。以往谱系地理学研究发现，新疆及中亚地区的植物在第四纪冰期中经历了不同程度的局域微避难所持续存在、冰后期扩张和种群隔离，形成了多样的遗传结构模式。然而，不同物种对历史气候变化的响应存在显著差异，区域植物是否具有共同的历史进化格局、谱系分化的机制是否一致，仍是新疆植物区系谱系地理学研究的重要科学问题。

目前，对天山郁金香的研究主要集中在分类学、形态学、引种栽培和生态学等方面，而关于其遗传多样性、谱系分化和历史种群动态的研究十分有限，尤其是整合叶绿体DNA（cpDNA）和核糖体内转录间隔区（nrITS）标记的谱系地理学研究尚属空白。cpDNA以母系遗传为主、进化速率相对较慢、重组有限，适合重建历史扩散和谱系进化；nrITS则序列变异速率较高，能有效揭示种群间和种群内的遗传变异。综合分析这两类标记可从互补的遗传视角全面理解物种的遗传结构和谱系进化历史。

本研究利用cpDNA *psbB-psbH* 区域和核糖体ITS（ITS1-ITS4）两种分子标记，对新疆29个天山郁金香自然种群进行了系统研究，旨在回答以下科学问题：（1）天山郁金香种群是否存在显著的遗传分化，cpDNA和nrITS标记揭示的遗传结构是否一致或存在差异？（2）第四纪古气候变化如何影响天山郁金香的历史种群动态，新疆是否存在冰期避难所？（3）天山郁金香是否具有显著的谱系地理结构，其谱系分化是否由区域地质历史和历史气候变化共同驱动？该研究不仅有助于阐明新疆野生郁金香的进化历史，还为理解中亚干旱区植物谱系地理格局的形成机制提供新证据，并为天山郁金香种质资源保护提供理论基础。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员于2023至2024年间，从中国新疆29个天然种群采集584个天山郁金香个体样本。采用改良的十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）法提取基因组DNA；选取叶绿体 *psbB-psbH* 区域和核糖体ITS区域进行PCR扩增和双向测序，经严格的质量筛选后获得序列数据。使用DnaSP计算遗传多样性指数，运用PERMUT分析总遗传多样性与种群内平均遗传多样性，通过Arlequin进行分子方差分析（AMOVA）和固定指数（FST）估算，利用PopART构建单倍型网络，基于PhyloSuite中的ModelFinder筛选最佳核苷酸替代模型后构建IQ-TREE和贝叶斯推断（BI）系统发育树，采用BEAST进行分化时间估算，应用RASP进行祖先分布区重建，并通过中性检验和错配分布分析推断种群历史动态。

**3. 研究结果**

**3.1 遗传多样性**

基于cpDNA *psbB-psbH* 序列，584个个体均成功测序，比对后总长565 bp，含22个多态位点，鉴定出8个单倍型（Hap_1-Hap_8），总体单倍型多样性（Hd）为0.112。其中Hap_1为广布单倍型，由550个个体共享，占94.18%，分布于28个种群；其余7个单倍型为私有单倍型。基于nrITS序列，454个个体成功测序，比对后总长572 bp，含75个多态位点，鉴定出72个核糖体型，总体核糖体型多样性（Hd）为0.918，其中29个为共享核糖体型，43个为私有核糖体型。cpDNA平均核苷酸多样性（π）为0.00003，显著低于nrITS的0.00781，表明不同分子标记捕获的遗传变异水平存在显著差异。

**3.2 遗传结构**

cpDNA分析显示，总遗传多样性（HT=0.090）高于种群内平均遗传多样性（HS=0.031），AMOVA表明种群间遗传变异占55.80%，种群内占42.57%，地理组间仅占1.63%，FST=0.5743，表明种群间存在显著遗传分化。NST（0.823）显著大于GST（0.653），显示具有显著的谱系地理结构。nrITS分析显示，HT=0.924，HS=0.769，AMOVA表明种群内遗传变异占55.29%，种群间占24.13%，地理组间占20.58%，FST=0.4471，显示种群间具有较高遗传分化。GST（0.168）大于NST（0.076），表明核基因遗传分化缺乏显著的谱系地理结构。

**3.3 系统发育关系与谱系地理格局**

cpDNA TCS单倍型网络以Hap_1为中心呈辐射状分布，Hap_3和Hap_4聚为一个相对独立的遗传谱系，与系统发育树一致，支持两个主要谱系的划分。nrITS TCS核糖体型网络显示不同种群间存在一定程度的核糖体型共享，但伊犁（YL）种群核糖体型在网络上形成相对集中的聚类，包含多个私有核糖体型和共享核糖体型，IQ-TREE和BI系统发育树均支持YL种群构成一个独立的核遗传谱系，而其他种群共同构成另一个主要谱系。

**3.4 分化时间与祖先分布区重建**

基于cpDNA的BEAST分析表明，8个cpDNA单倍型分为两个主要谱系，初始分化时间约为31.65 Ma（晚渐新世），随后在谱系内发生分化，主要分化事件发生在大约4.16–12.70 Ma（中晚中新世至上新世早期）。基于nrITS的分析表明，72个核糖体型分为两个主要谱系，初始分化时间约为31.66 Ma（晚渐新世），谱系内分化主要发生在0.98–19.70 Ma（早中新世至早更新世）。S-DIVA祖先分布区重建显示，cpDNA祖先分布区主要涉及WLMQ（A）、TC（C）和YL（D）区域，其中Hap_3-Hap_4谱系的祖先分布区仅在A区域，而另一主要谱系祖先分布区呈现多种可能组合；nrITS分析表明，clade A的祖先分布区明确重建在D区域（100%概率），而clade B的祖先分布区呈现A、B、D区域的多区域组合，表明YL区域代表了一个明确的谱系祖先分布中心。

**3.5 种群历史动态**

基于cpDNA数据集的中性检验和错配分布分析表明，总体种群（All）的Tajima's D、Fu and Li's D和Fu and Li's F均显著，SSD和HRag均不显著，符合历史种群扩张模型。WLMQ谱系所有中性检验均显著为负，但SSD检验显著，表明该谱系具有强烈的历史扩张信号，但种群历史较为复杂。YL和CJ谱系未显示显著的中性检验结果，且SSD显著（CJ的HRag也显著），偏离突然扩张模型，未显示清晰的种群扩张证据。TC谱系中性检验不显著，SSD和HRag均不显著，符合种群扩张模型，但扩张信号相对较弱。基于nrITS数据集的分析表明，总体种群（All）和WLMQ谱系的所有中性检验均显著，SSD和HRag不显著，支持种群扩张。TC谱系中性检验显著，SSD和HRag不显著，进一步支持种群扩张。CJ谱系仅Fu and Li's D和Fu and Li's F显著，显示中等强度的扩张信号。YL谱系所有中性检验均不显著，且HRag显著，未显示清晰的历史种群扩张证据。综合结果表明，天山郁金香整体经历了历史种群扩张，WLMQ谱系扩张信号最强，YL谱系可能长期保持相对稳定的种群历史。

**4. 讨论与结论**

讨论部分总结了三个主要方面：第一，天山郁金香cpDNA遗传多样性低而nrITS遗传多样性高，这种差异归因于两套基因组不同的遗传方式（cpDNA母系遗传 vs. nrITS双亲遗传）、进化速率差异，以及该物种有性生殖与鳞茎克隆繁殖并存的生活史策略。第二，cpDNA显示显著的种群间遗传分化和谱系地理结构，主要受限于种子扩散能力；nrITS显示种群内保留了大部分遗传变异，尽管花粉介导的基因流增强了核基因组间的遗传交换，但仍不足以完全抵消地理隔离、遗传漂变和生境破碎化的效应。第三，谱系地理历史分析表明，中新世天山隆升和相关环境变化建立了天山郁金香现有遗传谱系的基本框架，第四纪冰期-间冰期旋回并未产生新的深层次进化谱系，而是主要调节了已有谱系的种群大小和地理分布；综合cpDNA和nrITS证据支持伊犁（YL）种群在第四纪冰期充当了避难所。

研究结论指出，通过整合cpDNA和nrITS分子标记，该研究系统阐明了中国新疆天山郁金香的遗传多样性、谱系地理结构和历史进化过程。cpDNA显示显著的区域谱系分化，反映了种子扩散受限和历史地理隔离在塑造母系遗传结构中的重要作用；nrITS显示较高的遗传多样性和广泛的核糖体型共享，仅YL种群保留了相对独特的核遗传谱系，表明花粉介导的基因流在维持种群间遗传连通性方面发挥重要作用。分化时间分析表明，天山郁金香的主要遗传谱系起源于晚渐新世至中新世，而现存单倍型的广泛分化主要发生在新近纪中新世至上新世。祖先分布区重建表明，天山郁金香祖先可能占据较为广泛的地理范围，随后在长期地理隔离和环境变化的综合作用下分化为不同的遗传谱系。种群动态分析进一步表明，天山郁金香整体经历了历史种群扩张，但不同区域的扩张历史存在差异：WLMQ种群表现出强烈的扩张信号，而YL种群可能长期保持相对稳定并保留了较多的历史遗传信息。综上所述，天山郁金香现代遗传结构是历史地质事件、气候波动以及种子和花粉介导的扩散方式差异共同作用的结果，该研究为理解中亚干旱区植物谱系分化的机制提供了重要见解，并为新疆天山郁金香的遗传资源保护和管理提供了科学依据。