基于形态特征的地图衣属地衣分支系统学研究

古力娜·哈纳特， 李作森， 艾尼瓦尔·吐米尔

(新疆大学 生命科学与技术学院，乌鲁木齐 830046)

地图衣属(RhizocarponRamond ex. DC)是地图衣科(Rhizocarpaceae M. Choisy ex Hafellner)其中的一个属，其地衣体大多为壳状，少数为鳞叶状或石内生地衣，是一种高山极地地衣。地图衣主要生长在海拔2 km以上的高山裸露的岩石表面，在我国主要分布于西部地区和东北地区[1]。地图衣属最早由Ramond于1805年建立[2-4]，是地图衣科中分布最广泛的属，全世界地图衣约224种[5]，中国有39种[6]，其中新疆有22种[7]。早期国内对地图衣属的研究较少，中国地图衣大都由西方学者报道，Räsänen对欧洲的黄绿色地图衣进行了初步的分类学研究，并表明黄绿色地图衣在阿尔泰山脉分布非常普遍[8]。瑞典植物学家Runemark研究了欧洲黄绿色地图衣[9]，并详细描述了其形态特征及分布。Thomson根据地衣体颜色和是否含地衣酸，把地图衣属分成含有地衣酸的黄绿色地图衣(R.subg.Rhizocarpon)，以及不含地衣酸的非黄绿色地图衣(R.subg.Phaeothallus)两个亚属[10]。

分支系统学研究在高等植物中应用的比较广泛[11-16]，但在地衣中研究较少。本研究在对地图衣属地衣的形态和解剖特征进行观察和总结的基础上采用分支系统学研究方法，对新疆地图衣属地衣进行分支系统学分析，期望为地图衣属地衣的种间分类关系提供形态学依据，同时与分子系统发育树进行比较，探讨基于形态学特征的系统发育树和分子系统发育树之间是否吻合，以及在地图衣属分类学研究中的重要形态特征，进一步确认新疆地图衣属地衣的系统分类地位，为后续地图衣属地衣的分类研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究根据2004年至2018年期间采自新疆的200多份地图衣属地衣标本和已有的参考文献[17-19]，选取新疆地图衣属地衣22种作为研究对象(部分见图1)。外类群选择了分布在我国的地图衣科其他2个属的2个种：袖珍瘤衣[Catolechiawahlenbergii(Ach.) Körb.]和粗糙表衣[Epilichenscabrosus(Ach.) Clem.]。所有的地衣标本现存于新疆大学资源生物学研究中心。

1.2 方法

1.2.1 性状选取和编码

性状的选取主要根据对地衣标本的观察和文献的广泛阅读比较和研究来确定，根据22种地图衣属地衣的形态特征特点，选定23个形态学性状进行分支系统分析(表1)，对选定的性状进行编码，状态编码为0，1，2，未有记载或不明的性状特征均为“？”表示，性状编码不代表进化顺序(表2)。

图1 地图衣地衣形态图片Figure 1 Morphological photos of Rhizocarpon species

1.2.2 系统发育分析

利用Microsoft Excel 2003 和Ntedit1.2[17-18]软件记录原始数据，将原始特征数据转换成多态数据矩阵(表2)。数据矩阵的分支分析利用PAUP 4. 0软件[20-22]。在分支分析中，以袖珍瘤衣(Catolechiawahlenbergii)和粗糙表衣(Epilichenscabrosos)为外类群，采用启发式搜索策略，100次随机序列加入，TBR枝长交换，每步只保存10个树，最后得到最大简约树，用靴带值(Bootstrap)对系统发育树进行评价，从而对地图衣属22种的系统演化和种间关系进行研究[12]。

表1 形态性状及编码

表2 基于23个形态性状构建的分支系统分析数据矩阵

为了进一步确定分支系统学分析结果的可靠性，从GeneBank中下载对应的地图衣属地衣及LecidearubrocastaneaT. Sprib.的ITS序列共18条，以LecidearubrocastaneaT. Sprib.为外类群，进行分子系统发育分析，并与基于形态特征的系统发育树进行比较分析。

绿线代表外类群；红线代表双胞地图衣；黑线代表砖壁型地图衣。枝上数字为靴带值(Bootstrap)。图2 基于23个性状的MP分支树Figure 2 Strict consensus trees based on 23 morphological characteristics

2 结果与分析

2.1 简约性分析

对所选的23个形态性状的数据矩阵进行简约性分析，得到步长为56的同等最简约树，一致性指数CI(consistency index)为0.482，保留性指数RI(retension index)为0.750，重调后的一致性指数RC(rescaled consistency index)为0.362，同源性指数HI(homoplasy index)为0.518，其一致性指数并不高，说明所筛选的地衣体形态性状中存在较多的非同源性状，这可能是一些地衣物种的形态性状不明或未被描述所产生的结果[13]，从而会影响系统发育重建的可靠性和准确性。

由简约性分析结果可知，地图衣科表衣属(Epilichen)与瘤衣属(Catolechia)的代表种作为外类群，它们自然独立出来构成一个分支，而另外一个大的分支是由地图衣属地衣组成。在这个大的分支中，地图衣属又分为两个分支。

2.2 MP法分析

基于同等简约树的严格一致树显示(图2)，地图衣属、表衣属与瘤衣属以86%的Bootstrap形成一个大分支，其中，瘤衣属与表衣属作为外类群形成单独一支与地图衣属分开，地图衣属地衣自然独立出来形成一个大分支，说明了地图衣属的分类地位。

地图衣属组成的大分支又形成两个分支，其中，小地图衣(R.parvum)、微地图衣(R.pusillum)、乌皿地图衣(R.umense)、黑瘤地图衣(R.simillimum)、岩表地图衣(R.superficiale)、黑红地图衣(R.badioatrum)、类石地图衣(R.eupetraeoides)归为一支，其余地图衣归为另一支，并且第一分支主要由子囊孢子双胞型的地图衣组成，另一分支由子囊孢子亚砖壁型和砖壁型地图衣组成。后一分支又可以分为3个小分支，蜥羽地图衣(R.saurinum)、绿孢地图衣(R.furax)、平茶渍地图衣(R.atrovirellum)、乌绿地图衣(R.viridiatrum)归为一支；岸表地图衣(R.concentricum)、疏地图衣(R.reductum)、巨地图衣(R.grande)、石地图衣(R.petraeum)、双孢地图衣(R.geminatum)、灰地图衣(R.disporum)归为一支；地图衣(R.geographicum)、淡黄色地图衣(R.atroflavescens)、大孢地图衣(R.macrosporum)、茶渍地图衣(R.lecanorinum)、岸边地图衣(R.riparium)归为一支。

在上述系统发育树中，小地图衣与微地图衣以97%的Bootstrap值聚在一起，该两种形态解剖特征也极为相似。地图衣和淡黄色地图衣以63%的 Bootstrap 值聚在一起，该两种又与大孢地图衣以54%的Bootstrap 值聚在一起。平茶渍地图衣、蜥羽地图衣和绿孢地图衣以52%的Bootstrap 值聚在一起，且又与乌绿地图衣以78%的Bootstrap值聚在一起。

2.3 系统发育分析

从GeneBank中下载对应的地图衣属地衣的ITS序列17条，构建系统发育树(图3)。

结果发现17种地图衣属地衣种类构成一个大分支，以100%的支持率与外类群分开。地图衣属地衣组成的大分支又形成3个小分支，第一个分支由黑红地图衣、雪山地图衣(R.effiguratum)、双孢地图衣、小地图衣、微地图衣和岩表地图衣等6种组成，其中除了双孢地图衣，其余种类的子囊孢子类型均为双胞型；第二个分支由淡黄色地图衣、灰地图衣、绿孢地图衣、地图衣、巨地图衣、茶渍地图衣、大孢地图衣、岸边地图衣和蜥羽地图衣(R.saurinum)等9种组成，并且这些物种都具有亚砖壁型或砖壁型孢子，形态解剖特征较为相似；第三个分支由疏地图衣与石地图衣组成。上述系统发育树与基于形态学的系统发育树也较为一致，在上述系统发育树中，亲缘关系较近的地图衣和淡黄色地图衣以较高的支持率仍聚为一类；同样小地图衣和微地图衣也聚为一类；绿孢地图衣和蛡羽地图衣也大致聚为一类；基于形态特征的系统发育树中，岸边地图衣和茶渍地图衣为姐妹群，亲缘关系较近，同样也得到了本系统发育树的支持。

图3 地图衣属ITS位点序列基于贝叶斯法构建系统发育树Figure 3 Bayesian inference phylogeny based on ITS sequences of Rhizocarpon

3 讨论

本研究对地图衣属地衣进行基于形态特征的分支分析，并与分子系统发育树进行了综合分析，在基于形态学特征的分支树中，地图衣属地衣独立于外类群单独形成一支，地图衣属地衣又被分为两支，分析表明两个分支的不同之处在于子囊孢子的类型，双胞型子囊孢子的小地图衣、微地图衣、乌皿地图衣、黑瘤地图衣、岩表地图衣、黑红地图衣和类石地图衣聚成一支，而其余的砖壁型或亚砖壁型孢子的地图衣聚成另外一个分支，子囊孢子双胞型的地图衣与砖壁型或亚砖壁型孢子的地图衣有明显的分类界线，且双胞地图衣与砖壁型地图衣可作为一个单独的分支存在，说明子囊孢子的类型可以作为地图衣属地衣分类的依据。王伟成在对地图衣属进行系统发育分析时，系统发育树按照地衣孢子特征划分为孢子砖壁无色、孢子双胞无色和孢子双胞棕色等主要分支，认为孢子的特征是地衣进化的重要分类依据，该研究支持王伟成将孢子形态作为地图衣划分依据的观点[17]。但本研究中岸表地图衣和疏地图衣孢子无色，且为姐妹类群，其余地图衣均为孢子有色，因此孢子颜色可否作为地图衣划分的依据，需要更多的数据进一步探讨。

在对基于形态特征的系统发育树第二分支中小分支的划分上，基本上是根据地衣体颜色、地衣酸及子囊孢子的类型划分为3个不同的小分支。如第一小分支的蜥羽地图衣、绿孢地图衣、平茶渍地图衣、乌绿地图衣，它们都是含地图衣酸，子囊孢子为亚砖壁型的黄绿色地图衣；第二小分支的岸表地图衣、疏地图衣、巨地图衣、石地图衣、灰地地图衣他们都是地衣体非黄绿色，无地衣酸且子囊孢子为砖壁型的地图衣；第三分支的地图衣、大孢地图衣、茶渍地图衣、岸边地图衣聚为一类，它们具有的共有特征是地衣体黄绿色，含地衣酸且子囊孢子为砖壁型。Thomson把地图衣分为两个亚属，分别为含有地衣酸的黄绿色地图衣R.subg.Rhizocarpon和不含地衣酸的非黄绿色地图衣R.subg.phaeothallus[10]，而王伟成的系统发育树并未将黄绿色地图衣聚为一支，而是黄绿色和非黄绿色地图衣相互穿插[17]，本研究分子系统树中，地衣体黄绿色的蜥羽地图衣与地衣体非黄绿色的灰地图衣和巨地图衣聚在一起，与基于形态特征的分支系统结果有差异，因此可否将地衣体颜色和是否含地衣酸作为地图衣属分类的依据，还需要更加深入的研究。

本研究中性状的筛选是基于对标本的观察和文献的记载确定的，包含了地图衣属分类的重要性状，尽管如此，仍有许多形态性状并没有得到较好类群划分的支持，这可能是因为一些性状极易受到环境的影响而在个体间存在一定的差异[14]，另外，数量性状在转化为多态性状时也会出现偏差[11]，因此出现一些性状不支持类群的划分情况。为了进一步确认分支系统学分析结果的可靠性，进行分子系统发育分析。结果表明分子系统学研究结果与分支系统学研究结果一致，在基于形态特征的系统发育中，地图衣属依据子囊孢子的类型聚为两支，分子系统发育结果基本支持此划分结果。地图衣和淡黄色地图衣为姐妹群，同时与大孢地图衣聚在一起，与分子系统研究结果一致；此外，小地图衣与微地图衣、蜥羽地图衣和与绿孢地图衣同样得到了分子系统研究结果的支持。但是也有不同之处，双孢地图衣的子囊孢子为砖壁型孢子，在分子系统发育树种，其穿插在子囊孢子双胞型的地图衣中，另外，疏地图衣和石地图衣单独聚为一支，与基于形态特征的系统发育树有差异，因此，对它们在分类系统中的位置，还需要借助其他手段。分子系统发育树和基于23个地衣形态特征的系统发育树大体一致，虽然子类群的划分不一致，但从大类群的划分来看，子囊孢子的类型是地图衣属划分非常重要的性状，这也可以为地图衣属地衣分类地位提供一定的形态学依据。