賀 維，陳 時

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江西南昌 330045）

水青岡屬（Fagus L.）是殼斗科（Fagaceae）的模式屬，該屬種類較少，約有11 個種[1-3]，其分布區(qū)位于北緯19.5°～60°的東亞、歐洲和北美[4]。長柄水青岡（Fagus longipetiolata Seemen）、亮葉水青岡（F.lucida Rehder &Wilson）、臺灣水青岡（F.hayatae Palibin）和米心水青岡（F.engleriana Seemen）分布于中國，圓齒水青岡（F.crenata Blume）和日本水青岡（F.japonica Maxim）分布于日本，多脈水青岡（F.multinervis Nakai）分布于韓國，歐洲水青岡（F.sylvatica L.）和東方水青岡（F.orientalis Lipsky）分布于歐洲，大葉水青岡（F.grandifolia Ehrh）和墨西哥水青岡（F.mexicana Martínez）分布于北美。水青岡屬植物多生長在山地北坡較為濕潤的地方，喜砂質(zhì)土壤，是落葉闊葉林和常綠落葉混交林的上層樹種，在維持森林生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性上具有重要的價值。水青岡屬均為高大的落葉喬木，紋理直，質(zhì)略重，是使用最廣泛的硬木之一。另外，由于分布廣泛且化石資料豐富[5-6]，水青岡屬植物成為生態(tài)學(xué)和生物地理學(xué)研究的經(jīng)典材料。

譜系地理學(xué)（Phylogeography）于1987 年由Avise提出，是研究物種及群體分布格局、演化過程和歷史形成原因的學(xué)科，該學(xué)科為分子系統(tǒng)學(xué)和群體遺傳學(xué)架構(gòu)了橋梁。通過分子生物學(xué)手段分析群體遺傳結(jié)構(gòu)及基因譜系空間分布，來探討物種譜系地理格局的現(xiàn)有分布特征、系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系及追溯物種和群體的歷史進化過程，并驗證相關(guān)古地質(zhì)歷史事件，是譜系地理學(xué)的主要研究內(nèi)容[7]。為了進一步研究水青岡屬植物，對水青岡屬植物的起源和不同譜系生物地理學(xué)研究進行梳理和探討。

1 水青岡屬的起源

有關(guān)水青岡屬生物地理格局的形成，存在兩個截然相反的假說。由于中國擁有世界上最多的水青岡物種多樣性，根據(jù)現(xiàn)有物種的地理分布，DIVA（dispersal-vicariance analysis）分析認為水青岡屬可能起源于中國，然后遷移到北半球其他地區(qū)（out-of-China scenario）。然而，化石資料[8]卻表明，水青岡屬在始新世中期起源于北太平洋地區(qū)（亞洲東北部和北美西北部）；漸新世時，水青岡向西擴張至亞洲中部，形成歐亞大陸支系（continental Eurasian lineage）和北太平洋支系（northern Pacific lineage）；中新世時，水青岡遍及北半球直至冰島（接近北極圈）等高緯度地區(qū)；直到中新世以后，水青岡開始在高緯度地區(qū)（如中亞和北美西部）退縮甚至滅絕，并陸續(xù)向南遷移，形成現(xiàn)代種類。因此，米心水青岡直到上新世才從東北亞進入中國，并與中新世時從中亞或東北亞大陸遷入的亮葉水青岡和臺灣水青岡與長柄水青岡的祖先相遇，形成現(xiàn)今多種水青岡共存于中國亞熱帶山地的格局（northern hemispheric ancestor scenario）。王麗娜等[9]采用軌跡分析方法對水青岡屬的地理分布進行了探討，但水青岡屬的共有軌跡鏈接并不能解釋其生物地理格局。蔣露等[1]使用28個單/低拷貝核基因，構(gòu)建化石標定的物種樹，并進行生物地理推斷等分析，結(jié)果支持水青岡屬起源于北太平洋地區(qū)的假說。水青岡屬可能在始新世晚期起源于北太平洋地區(qū)，更新世時期水青岡隨冰川進入東亞、北美和西歐亞大陸，中亞和北美西部高緯度地區(qū)分布范圍縮小或滅絕，形成了水青岡屬現(xiàn)代分布格局。

2 歐洲和北美譜系研究進展

歐洲水青岡（F.sylvatica）和東方水青岡（F.orientalis）關(guān)系十分緊密，在譜系地理學(xué)方面，關(guān)于歐洲水青岡的研究較多，并且所有研究都表明了歐洲水青岡的譜系地理格局是由冰期后的擴散遷移引起的。Magri等[10]結(jié)合孢粉學(xué)、cpDNA、nDNA 三方面的證據(jù)對歐洲水青岡冰期避難所和冰期后的分布范圍進行研究，發(fā)現(xiàn)歐洲水青岡在末次冰期的分布較小，冰期避難所呈鑲嵌狀零星分布在多個地區(qū)，冰期后又沿著零散的中心緩慢擴張。歐洲中部避難所從地中海避難所分離出來，地中海避難所對歐洲水青岡在歐洲中部和北部的擴散沒有貢獻，山脈不僅沒有阻礙歐洲水青岡的擴散，反而有利于其擴散。Sj Lund 等[11]基于葉綠體和核微衛(wèi)星標記分析了英國42 個歐洲水青岡（Fagus sylvatica）群體的遺傳結(jié)構(gòu)，并使用近似貝葉斯計算框架分析其定殖歷史，結(jié)果表明，細胞核標記中的遺傳多樣性水平比葉綠體基因更高；東南部的本地種群單倍型數(shù)量最多，單倍型呈現(xiàn)從南到北的分布格局。Gomory 等[12]用12 個同工酶位點研究了歐洲和西亞地區(qū)水青岡物種復(fù)合體F.sylvatica和F.orientali不同類群之間因基因流引起的網(wǎng)狀進化，結(jié)果表明與上新世和更新世氣候波動相關(guān)的水青岡范圍的擴張和收縮，導(dǎo)致了區(qū)域種群之間基因庫的接觸和交換，以及由于不完全譜系分選而共享祖先多態(tài)性。

大葉水青岡（F.grandifolia）分布于北美東南部大部分地區(qū)，而墨西哥水青岡（Fagus mexicana）僅在墨西哥東部的韋拉克魯斯州亞熱帶地區(qū)發(fā)現(xiàn)，并存在于一座火山的山地云霧森林避難所?；ǚ塾涗涳@示[13]，大葉水青岡最早可能存在于全冰川時期的美國威斯康星州地區(qū)，沒有本地化的“避難所”。14000 年前大葉水青岡開始以極低的種群密度向北遷移，隨后由于氣候條件極佳，種群在東南部局部地區(qū)快速擴張[14]。古生態(tài)記錄表明，整個全新世大葉水青岡分布范圍一直在不斷擴大，在勞倫太德冰蓋倒塌之后，大葉水青岡進入五大湖地區(qū)，由于密歇根湖的阻礙作用，發(fā)生了一次遠距離擴散事件，分布范圍達到了目前的地理極限，但現(xiàn)在仍有一些地區(qū)在緩慢擴張[15]。

3 東亞譜系研究進展

3.1 日本和韓國水青岡屬譜系地理研究

日本雖然只有圓齒水青岡（F.crenata Blume）和日本水青岡（F.japonica Maxim）2 個種，但是在譜系地理學(xué)研究方面卻開展了許多研究。日本水青岡主要分布在本州北部、四國和九州的太平洋一側(cè)，而圓齒水青岡從北海道南部到九州分布廣泛。Tomaru 等[16]利用RFLP標記研究了日本圓齒水青岡的種內(nèi)變異及譜系地理分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了8 種單倍型，單倍型的變異呈現(xiàn)出較強的地理結(jié)構(gòu)，可能反映了該物種末次冰期后的分布及其擴張。Fujii 等[17]對45 個圓齒水青岡種群葉綠體DNA 上的trnL-F 片段的非編碼區(qū)和trnK 區(qū)2 個片段進行了研究，得到13 個單倍型，每個單倍型都具有地理結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)發(fā)育分析中發(fā)現(xiàn)2 個主要的進化枝，其分布表明圓齒水青岡有2 條歷史遷徙路線：一條沿日本海岸向北擴散，另一條沿日本群島的太平洋一側(cè)向北擴散。Okaura 等[18]用3 個非編碼葉綠體DNA 片段，對21 個圓齒水青岡群體和4 個日本水青岡群體進行了種內(nèi)遺傳變異研究，結(jié)果表明圓齒水青岡中區(qū)分出7 種單倍型，單倍型的地理分布在圓齒水青岡中高度結(jié)構(gòu)化，所有單倍型都被認為是來自不同的冰川避難所。系統(tǒng)發(fā)育分析表明，2 種日本水青岡存在共享祖先多態(tài)性或古老基因滲入。

多脈水青岡（F.multinervis）分布于韓國南部Ulleungdo 島嶼上，在形態(tài)上與日本水青岡（F.japonica）和米心水青岡（F.engleriana）非常接近，Oh[19]用cpDNA 追蹤種子，探討了Ulleungdo 島嶼上多脈水青岡的起源，結(jié)果表明，多脈水青岡遺傳多樣性很高，具有顯著較低的cpDNA 單倍型多樣性；花粉記錄顯示，多脈水青岡種子從大陸地區(qū)進入島嶼，經(jīng)過長期地理隔離，導(dǎo)致其單倍型多樣性目前呈現(xiàn)較低水平。

3.2 中國水青岡屬譜系地理研究

近年來，我國植物譜系地理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，中國亞熱帶植物對晚新生代以來氣候變化的響應(yīng)模式，迥異于歐洲和北美東部地區(qū)[20-25]。有孢粉學(xué)證據(jù)表明，第三紀晚期，水青岡在中國的東北地區(qū)也有廣泛分布。到第四紀初期，其分布區(qū)收縮到南方亞熱帶地區(qū)，尤其在福建省的西部迅速擴張，而中國北部幾乎沒有分布。末次冰期，水青岡繼續(xù)向南遷移，在雷洲半島也曾發(fā)現(xiàn)了水青岡的孢粉化石[26]。但是冰期結(jié)束后，全新世（Holocene）時期氣候回升，喜馬拉雅山隆起和青藏高原抬升，我國西北、華北大陸性氣候加強，東部和西南部形成季風(fēng)性氣候，使我國水青岡并沒有像歐洲水青岡一樣由南部重新向北部擴散，氣候條件使水青岡繼續(xù)保留在南方亞熱帶地區(qū)并迅速擴張[27]。

中國水青岡屬植物分布區(qū)變遷模式比較復(fù)雜，不完全符合“收縮-擴張”模型，存在多個冰期避難所[28]。雷鳴等[29]利用2 個葉綠體序列在25 個米心水青岡（F.engleriana）群體中檢測出6 種單倍型，單倍型分布格局表明，在整個更新世氣候變化中，米心水青岡在多處避難所中零散分布，并且經(jīng)歷了有限的冰期和冰后期擴張；研究結(jié)果證實，多個避難所之間的長期隔離，再加上不同避難所種群之間的有限接觸，為種群分化和異源物種形成提供了更多機會。劉美華[30]對長柄水青岡（F.longipetiolata）的譜系地理學(xué)研究也表明，長柄水青岡在冰期可能存在多個避難所，東部和西部有2 種不同的避難所格局，東部避難所位于武夷山兩側(cè)，西部避難所則存在于廣西和貴州一帶。冰期后氣候等環(huán)境條件限制了長柄水青岡種群大規(guī)模的擴張，但存在多條遷移路線，東部避難所的種群一部分沿武夷山脈東側(cè)向北擴散，另一部分則沿武夷山西側(cè)向北擴散，最終到浙江地區(qū)匯集；西部避難所種群在冰期后沿四川盆地向北擴散。

亮葉水青岡（F.lucida）和長柄水青岡（F.longipetiolata）是水青岡屬中親緣關(guān)系最密切的姊妹物種，二者分布區(qū)高度重疊。張志勇等[31]對亮葉水青岡和長柄水青岡進行比較譜系地理學(xué)分析，利用化石標定重新估算了2 種水青岡的分化時間為6.36Ma，顯示出特異性的馬賽克鑲嵌式單倍型分布，但亮葉水青岡種群內(nèi)遺傳多樣性比長柄水青岡高很多。研究結(jié)果表明，由于中新世時期中亞干旱季風(fēng)氣候加劇，中國水青岡屬向南遷移；第四紀時期，中國亞熱帶山區(qū)長期隔離，基因流（gene flow）有限，導(dǎo)致了當(dāng)前物種特有的鑲嵌譜系分布。殷曉潔等[32]利用MaxEnt 對長柄水青岡進行潛在分布區(qū)預(yù)測，發(fā)現(xiàn)其分布區(qū)范圍主要受降水控制，在西部的甘肅、四川和云南等地的分布受溫度和太陽輻射影響較大，而在北界，即陜西、湖北和湖南等省的分布取決于季節(jié)變化。

臺灣水青岡（F.hayatae）是我國二級保護植物，呈現(xiàn)出中國臺灣與大陸之間間斷分布的格局。應(yīng)凌霄等[33]利用核基因和葉綠體基因研究表明，該物種具有很高的遺傳多樣性，群體間具有較高的遺傳分化，除四川盆地內(nèi)部的物種外，該物種在整個范圍內(nèi)都存在明顯的植物地理結(jié)構(gòu)。在葉綠體序列中檢測到15 個單倍型，通過中性分析和失配分析，未發(fā)現(xiàn)近期種群擴張，第四紀時期臺灣水青岡在中國四川盆地和東南部山區(qū)長期處于地理隔離狀態(tài)，存在多個避難所。

4 問題與展望

當(dāng)前水青岡屬譜系地理學(xué)研究已有較為詳細和深入的報道，但是依然存在以下問題：①所采用的分子標記較少。大多數(shù)研究選用了葉綠體序列，但葉綠體基因組為母系遺傳，不能反映父系的基因流；并且葉綠體基因組被視作單個位點，計算分化時間為單個基因分化時間，而非群體分化時間，對歷史動態(tài)的推斷可能不夠準確。另外，使用數(shù)量有限的核基因，可能無法排除譜系分選、選擇等因素的影響，從而無法代表其真實的遺傳歷史。②對種群動態(tài)（群體擴張、收縮等）往往采用失配分析（mismatch analysis），這種方法只能分析單個位點，且只能提供某一個時間點上的種群動態(tài)信息（靜態(tài)描述），而不能提供某一個時間段內(nèi)的種群動態(tài)過程[34-35]。③不同地區(qū)的譜系地理學(xué)研究采用的方法和采樣策略存在較大的差異，不同研究的結(jié)果不能直接比較。

利用多核基因數(shù)據(jù)與生態(tài)位模擬，從微觀和宏觀不同角度著手，定性和定量分析相結(jié)合，推測避難所的分布范圍，揭示種群現(xiàn)有分布格局形成的歷史演變過程，為探討水青岡屬物種形成機制、進化歷史及生物多樣性保護具有重要意義。隨著測序技術(shù)的飛速發(fā)展，測序成本大幅下降，組裝高質(zhì)量基因組，進行群體基因組重測序、轉(zhuǎn)錄組和代謝組學(xué)研究，結(jié)合木材、果實等形態(tài)學(xué)性狀，從全基因組尺度范圍，對水青岡屬植物的環(huán)境適應(yīng)性、雜交、物種形成、種群動態(tài)、基因流和遺傳結(jié)構(gòu)等進行更加深入的研究，為水青岡屬譜系地理分布格局和適應(yīng)性機制研究帶來了新的契機。