壳斗科水青冈属谱系地理学研究进展

贺 维，陈 时

（江西农业大学农学院，江西南昌 330045）

水青冈属（Fagus L.）是壳斗科（Fagaceae）的模式属，该属种类较少，约有11 个种[1-3]，其分布区位于北纬19.5°～60°的东亚、欧洲和北美[4]。长柄水青冈（Fagus longipetiolata Seemen）、亮叶水青冈（F.lucida Rehder &Wilson）、台湾水青冈（F.hayatae Palibin）和米心水青冈（F.engleriana Seemen）分布于中国，圆齿水青冈（F.crenata Blume）和日本水青冈（F.japonica Maxim）分布于日本，多脉水青冈（F.multinervis Nakai）分布于韩国，欧洲水青冈（F.sylvatica L.）和东方水青冈（F.orientalis Lipsky）分布于欧洲，大叶水青冈（F.grandifolia Ehrh）和墨西哥水青冈（F.mexicana Martínez）分布于北美。水青冈属植物多生长在山地北坡较为湿润的地方，喜砂质土壤，是落叶阔叶林和常绿落叶混交林的上层树种，在维持森林生态系统和生物多样性上具有重要的价值。水青冈属均为高大的落叶乔木，纹理直，质略重，是使用最广泛的硬木之一。另外，由于分布广泛且化石资料丰富[5-6]，水青冈属植物成为生态学和生物地理学研究的经典材料。

谱系地理学（Phylogeography）于1987 年由Avise提出，是研究物种及群体分布格局、演化过程和历史形成原因的学科，该学科为分子系统学和群体遗传学架构了桥梁。通过分子生物学手段分析群体遗传结构及基因谱系空间分布，来探讨物种谱系地理格局的现有分布特征、系统发育关系及追溯物种和群体的历史进化过程，并验证相关古地质历史事件，是谱系地理学的主要研究内容[7]。为了进一步研究水青冈属植物，对水青冈属植物的起源和不同谱系生物地理学研究进行梳理和探讨。

1 水青冈属的起源

有关水青冈属生物地理格局的形成，存在两个截然相反的假说。由于中国拥有世界上最多的水青冈物种多样性，根据现有物种的地理分布，DIVA（dispersal-vicariance analysis）分析认为水青冈属可能起源于中国，然后迁移到北半球其他地区（out-of-China scenario）。然而，化石资料[8]却表明，水青冈属在始新世中期起源于北太平洋地区（亚洲东北部和北美西北部）；渐新世时，水青冈向西扩张至亚洲中部，形成欧亚大陆支系（continental Eurasian lineage）和北太平洋支系（northern Pacific lineage）；中新世时，水青冈遍及北半球直至冰岛（接近北极圈）等高纬度地区；直到中新世以后，水青冈开始在高纬度地区（如中亚和北美西部）退缩甚至灭绝，并陆续向南迁移，形成现代种类。因此，米心水青冈直到上新世才从东北亚进入中国，并与中新世时从中亚或东北亚大陆迁入的亮叶水青冈和台湾水青冈与长柄水青冈的祖先相遇，形成现今多种水青冈共存于中国亚热带山地的格局（northern hemispheric ancestor scenario）。王丽娜等[9]采用轨迹分析方法对水青冈属的地理分布进行了探讨，但水青冈属的共有轨迹链接并不能解释其生物地理格局。蒋露等[1]使用28个单/低拷贝核基因，构建化石标定的物种树，并进行生物地理推断等分析，结果支持水青冈属起源于北太平洋地区的假说。水青冈属可能在始新世晚期起源于北太平洋地区，更新世时期水青冈随冰川进入东亚、北美和西欧亚大陆，中亚和北美西部高纬度地区分布范围缩小或灭绝，形成了水青冈属现代分布格局。

2 欧洲和北美谱系研究进展

欧洲水青冈（F.sylvatica）和东方水青冈（F.orientalis）关系十分紧密，在谱系地理学方面，关于欧洲水青冈的研究较多，并且所有研究都表明了欧洲水青冈的谱系地理格局是由冰期后的扩散迁移引起的。Magri等[10]结合孢粉学、cpDNA、nDNA 三方面的证据对欧洲水青冈冰期避难所和冰期后的分布范围进行研究，发现欧洲水青冈在末次冰期的分布较小，冰期避难所呈镶嵌状零星分布在多个地区，冰期后又沿着零散的中心缓慢扩张。欧洲中部避难所从地中海避难所分离出来，地中海避难所对欧洲水青冈在欧洲中部和北部的扩散没有贡献，山脉不仅没有阻碍欧洲水青冈的扩散，反而有利于其扩散。Sj Lund 等[11]基于叶绿体和核微卫星标记分析了英国42 个欧洲水青冈（Fagus sylvatica）群体的遗传结构，并使用近似贝叶斯计算框架分析其定殖历史，结果表明，细胞核标记中的遗传多样性水平比叶绿体基因更高；东南部的本地种群单倍型数量最多，单倍型呈现从南到北的分布格局。Gomory 等[12]用12 个同工酶位点研究了欧洲和西亚地区水青冈物种复合体F.sylvatica和F.orientali不同类群之间因基因流引起的网状进化，结果表明与上新世和更新世气候波动相关的水青冈范围的扩张和收缩，导致了区域种群之间基因库的接触和交换，以及由于不完全谱系分选而共享祖先多态性。

大叶水青冈（F.grandifolia）分布于北美东南部大部分地区，而墨西哥水青冈（Fagus mexicana）仅在墨西哥东部的韦拉克鲁斯州亚热带地区发现，并存在于一座火山的山地云雾森林避难所。花粉记录显示[13]，大叶水青冈最早可能存在于全冰川时期的美国威斯康星州地区，没有本地化的“避难所”。14000 年前大叶水青冈开始以极低的种群密度向北迁移，随后由于气候条件极佳，种群在东南部局部地区快速扩张[14]。古生态记录表明，整个全新世大叶水青冈分布范围一直在不断扩大，在劳伦太德冰盖倒塌之后，大叶水青冈进入五大湖地区，由于密歇根湖的阻碍作用，发生了一次远距离扩散事件，分布范围达到了目前的地理极限，但现在仍有一些地区在缓慢扩张[15]。

3 东亚谱系研究进展

3.1 日本和韩国水青冈属谱系地理研究

日本虽然只有圆齿水青冈（F.crenata Blume）和日本水青冈（F.japonica Maxim）2 个种，但是在谱系地理学研究方面却开展了许多研究。日本水青冈主要分布在本州北部、四国和九州的太平洋一侧，而圆齿水青冈从北海道南部到九州分布广泛。Tomaru 等[16]利用RFLP标记研究了日本圆齿水青冈的种内变异及谱系地理分布，结果发现了8 种单倍型，单倍型的变异呈现出较强的地理结构，可能反映了该物种末次冰期后的分布及其扩张。Fujii 等[17]对45 个圆齿水青冈种群叶绿体DNA 上的trnL-F 片段的非编码区和trnK 区2 个片段进行了研究，得到13 个单倍型，每个单倍型都具有地理结构，在系统发育分析中发现2 个主要的进化枝，其分布表明圆齿水青冈有2 条历史迁徙路线：一条沿日本海岸向北扩散，另一条沿日本群岛的太平洋一侧向北扩散。Okaura 等[18]用3 个非编码叶绿体DNA 片段，对21 个圆齿水青冈群体和4 个日本水青冈群体进行了种内遗传变异研究，结果表明圆齿水青冈中区分出7 种单倍型，单倍型的地理分布在圆齿水青冈中高度结构化，所有单倍型都被认为是来自不同的冰川避难所。系统发育分析表明，2 种日本水青冈存在共享祖先多态性或古老基因渗入。

多脉水青冈（F.multinervis）分布于韩国南部Ulleungdo 岛屿上，在形态上与日本水青冈（F.japonica）和米心水青冈（F.engleriana）非常接近，Oh[19]用cpDNA 追踪种子，探讨了Ulleungdo 岛屿上多脉水青冈的起源，结果表明，多脉水青冈遗传多样性很高，具有显著较低的cpDNA 单倍型多样性；花粉记录显示，多脉水青冈种子从大陆地区进入岛屿，经过长期地理隔离，导致其单倍型多样性目前呈现较低水平。

3.2 中国水青冈属谱系地理研究

近年来，我国植物谱系地理学研究发现，中国亚热带植物对晚新生代以来气候变化的响应模式，迥异于欧洲和北美东部地区[20-25]。有孢粉学证据表明，第三纪晚期，水青冈在中国的东北地区也有广泛分布。到第四纪初期，其分布区收缩到南方亚热带地区，尤其在福建省的西部迅速扩张，而中国北部几乎没有分布。末次冰期，水青冈继续向南迁移，在雷洲半岛也曾发现了水青冈的孢粉化石[26]。但是冰期结束后，全新世（Holocene）时期气候回升，喜马拉雅山隆起和青藏高原抬升，我国西北、华北大陆性气候加强，东部和西南部形成季风性气候，使我国水青冈并没有像欧洲水青冈一样由南部重新向北部扩散，气候条件使水青冈继续保留在南方亚热带地区并迅速扩张[27]。

中国水青冈属植物分布区变迁模式比较复杂，不完全符合“收缩-扩张”模型，存在多个冰期避难所[28]。雷鸣等[29]利用2 个叶绿体序列在25 个米心水青冈（F.engleriana）群体中检测出6 种单倍型，单倍型分布格局表明，在整个更新世气候变化中，米心水青冈在多处避难所中零散分布，并且经历了有限的冰期和冰后期扩张；研究结果证实，多个避难所之间的长期隔离，再加上不同避难所种群之间的有限接触，为种群分化和异源物种形成提供了更多机会。刘美华[30]对长柄水青冈（F.longipetiolata）的谱系地理学研究也表明，长柄水青冈在冰期可能存在多个避难所，东部和西部有2 种不同的避难所格局，东部避难所位于武夷山两侧，西部避难所则存在于广西和贵州一带。冰期后气候等环境条件限制了长柄水青冈种群大规模的扩张，但存在多条迁移路线，东部避难所的种群一部分沿武夷山脉东侧向北扩散，另一部分则沿武夷山西侧向北扩散，最终到浙江地区汇集；西部避难所种群在冰期后沿四川盆地向北扩散。

亮叶水青冈（F.lucida）和长柄水青冈（F.longipetiolata）是水青冈属中亲缘关系最密切的姊妹物种，二者分布区高度重叠。张志勇等[31]对亮叶水青冈和长柄水青冈进行比较谱系地理学分析，利用化石标定重新估算了2 种水青冈的分化时间为6.36Ma，显示出特异性的马赛克镶嵌式单倍型分布，但亮叶水青冈种群内遗传多样性比长柄水青冈高很多。研究结果表明，由于中新世时期中亚干旱季风气候加剧，中国水青冈属向南迁移；第四纪时期，中国亚热带山区长期隔离，基因流（gene flow）有限，导致了当前物种特有的镶嵌谱系分布。殷晓洁等[32]利用MaxEnt 对长柄水青冈进行潜在分布区预测，发现其分布区范围主要受降水控制，在西部的甘肃、四川和云南等地的分布受温度和太阳辐射影响较大，而在北界，即陕西、湖北和湖南等省的分布取决于季节变化。

台湾水青冈（F.hayatae）是我国二级保护植物，呈现出中国台湾与大陆之间间断分布的格局。应凌霄等[33]利用核基因和叶绿体基因研究表明，该物种具有很高的遗传多样性，群体间具有较高的遗传分化，除四川盆地内部的物种外，该物种在整个范围内都存在明显的植物地理结构。在叶绿体序列中检测到15 个单倍型，通过中性分析和失配分析，未发现近期种群扩张，第四纪时期台湾水青冈在中国四川盆地和东南部山区长期处于地理隔离状态，存在多个避难所。

4 问题与展望

当前水青冈属谱系地理学研究已有较为详细和深入的报道，但是依然存在以下问题：①所采用的分子标记较少。大多数研究选用了叶绿体序列，但叶绿体基因组为母系遗传，不能反映父系的基因流；并且叶绿体基因组被视作单个位点，计算分化时间为单个基因分化时间，而非群体分化时间，对历史动态的推断可能不够准确。另外，使用数量有限的核基因，可能无法排除谱系分选、选择等因素的影响，从而无法代表其真实的遗传历史。②对种群动态（群体扩张、收缩等）往往采用失配分析（mismatch analysis），这种方法只能分析单个位点，且只能提供某一个时间点上的种群动态信息（静态描述），而不能提供某一个时间段内的种群动态过程[34-35]。③不同地区的谱系地理学研究采用的方法和采样策略存在较大的差异，不同研究的结果不能直接比较。

利用多核基因数据与生态位模拟，从微观和宏观不同角度着手，定性和定量分析相结合，推测避难所的分布范围，揭示种群现有分布格局形成的历史演变过程，为探讨水青冈属物种形成机制、进化历史及生物多样性保护具有重要意义。随着测序技术的飞速发展，测序成本大幅下降，组装高质量基因组，进行群体基因组重测序、转录组和代谢组学研究，结合木材、果实等形态学性状，从全基因组尺度范围，对水青冈属植物的环境适应性、杂交、物种形成、种群动态、基因流和遗传结构等进行更加深入的研究，为水青冈属谱系地理分布格局和适应性机制研究带来了新的契机。