摘要
兰科(Orchidaceae)蝴蝶兰属(Phalaenopsis Blume)植物因其独特的分类地位和极高的园艺价值受到公众和科学界的关注。蝴蝶兰属下分类混乱，具体表现在基于形态特征的Christenson五亚属系统与基于分子系统学的四亚属系统未能达成一致，部分类群的系统分类地位仍未确定。原蝴蝶兰亚属subg.Phalaenopsis中各组的系统发育关系呈并系，版纳蝴蝶兰的系统位置不明确，蝴蝶兰组的系统位置不明确，柏氏蝴蝶兰亚属中各组为并系，以及象鼻兰和洛氏蝴蝶兰的分类归属等等。由于缺乏合理的分子系统发育关系，以及大量非单源形态特征的应用，以上问题一直无法得到解决。由于缺乏稳定的系统发育关系，蝴蝶兰属自然物种的起源与演化、物种形成与扩散动力仍然存疑。理清蝴蝶兰属下的系统发育关系以及地质历史对于物种分化的影响，对阐明蝴蝶兰属物种的生物地理历史，以及探究其起源与分化的具体原因具有重要的科学意义和现实价值。此外，裂唇蝴蝶兰组占该属50%的物种丰度，除地质历史是可能的推动原因以外，其与环境适应和形态建成相关的基因也可能参与其中。但由于组学数据的缺乏，无法使用生物信息学的手段探究裂唇蝴蝶兰组与环境适应性的候选基因。本研究对54个蝴蝶兰物种进行了全叶绿体基因组测序，获取了裂唇蝴蝶兰组代表物种的转录组。结合已发表的其他基因组数据，完成以下工作： (1)基于基因组小片段测序数据进行了蝴蝶兰属全叶绿体基因组的组装与注释，总结了各分支叶绿体基因的特性，并进行选择压力分析。蝴蝶兰属ndh基因均假基因化，ycf3和rps16特异性在裂唇蝴蝶兰组中假基因化，ccsA和cemA基因受到显著正选择。基于全叶绿体共线性区段，通过不同算法构建了高支持率的系统发育树。系统发育树的结果支持蝴蝶兰亚属为单起源，先前的争议是由于系统发育标记低分辨率所导致；系统结果也确定了裂唇蝴蝶兰组内不同分支例如版纳蝴蝶兰的确切分类位置，版纳蝴蝶兰不与鹿角复合群形成单系；象鼻兰和洛氏蝴蝶兰与落叶蝴蝶兰组成单系群，应归属于落叶蝴蝶兰组。 (2)基于稳定的分子系统发育框架，本研究通过分子钟计算、祖先区域重构预测以及进化速率评估等分析方法，推测蝴蝶兰属不同分支的分化时间与驱动力。结果表明：第四纪气候变化导致的海平面波动是蝴蝶兰属分化和物种爆发的关键原因，其中裂唇蝴蝶兰组是响应该气候变化的主要类群。此外，版纳蝴蝶兰分化之后的基因组大小突增，可能与气候及地质因子一同推动了裂唇蝴蝶兰组的物种爆发。 (3)进行裂唇蝴蝶兰组与蝴蝶兰组代表成员的转录组测序、注释与富集分析。裂唇蝴蝶兰组中叶片具大量光合作用以及能量相关的基因，可能与荫蔽条件的适应性相关。ATG相关基因分析显示兰科与蝴蝶兰属具特有的结构域，裂唇蝴蝶兰组成员存在特有的ATG8分支；R2R3MYB基因家族揭示蝴蝶兰属存在分支特异性的扩张与收缩。以上特异性分化在拟南芥中的同源基因与参与形态建成和环境适应性进程，是今后蝴蝶兰属适应性研究和进化分析的候选基因。 综上所述，本研究构建了蝴蝶兰属稳定的质体系统发育关系，阐明了该属的物种多样性与古气候和地质变化的关系，以及适应性可能的分子基础。以上结论也为今后蝴蝶兰属、以及兰科植物的系统分类与进化生物学研究提供实例。提供的叶绿体数据和转录组数据的解读也为蝴蝶兰属的亲本鉴定、分子育种以及资源保护奠定了基础。
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