摘要
芸香科（Rutaceae）是无患子目（Sapindales）中数量最多的科之一，包括160属1800余种，广泛分布在热带、亚热带和温带地区。花椒属（Zanthoxylum L.）是芸香科植物中的第二大属，大约有225种，是芸香科中唯一具有泛热带分布的属。由于丰富的化石记录和广泛的地理分布，花椒属植物成为研究世界范围内新生代生物地理学的理想类群。同时，在分子系统学迅速发展的前提下，花椒属在世界范围内的起源及演化历史已经成为目前研究学者关注的热点问题。因此，理清花椒属种间的分子系统发育关系以及现代分布格局演化历史，能够为花椒属物种的分子育种及野生种质资源保护提供重要的理论支撑。 本研究为了明确花椒属及其近缘属的系统进化关系，为下一步进行花椒属种水平的系统进化分析选择合适的外类群，选取了芸香科3个亚科，包括了16个属，共46条叶绿体基因组序列，以橄榄科（Burseraceae Kunth.）、苦木科（Simaroubaceae DC.）和海人树科（Surianaceae Arn.）作为外类群，对芸香科下亚科及属间的亲缘关系进行了重建，解析了亚科下各属间的系统发育关系。其次，基于芸香科属间亲缘关系，选择黄檗属（Phellodendron Rupr.）和吴茱萸属（Tetradium Lour）共3个物种作为外类群，基于40个花椒属物种的叶绿体基因组（chloroplast genomic DNA，cpDNA）数据重建了中国花椒属代表性物种的系统发育关系，其中包括分布在国外的4个物种，并进行了分化时间的估算和祖先分布区重建，以探讨花椒属物种间系统发育关系及演化历史。主要研究结果如下： （1）基于cpDNA数据构建的芸香科属水平的发育树表明，芸香科物种形成一个单系，并进一步分为两大分支，分支I中所有柑橘亚科物种聚为一个亚分支并与芸香属形成姊妹关系；分支II由芸香亚科和飞龙掌血亚科物种组成，飞龙掌血属（Toddalia Juss）物种嵌套在花椒属内，花椒属与黄檗属和吴茱萸属形成姊妹关系，亲缘关系最近。基于cpDNA数据构建的系统发育树，各分支均有较高的支持率。因此，本研究证实了飞龙掌血属物种并入花椒属物种中是合理的。 （2）花椒属叶绿体基因组均为典型的四方体结构，序列长度范围在157,231 bp-159,072 bp，共编码了132-133个基因，包括87-88个蛋白质编码基因，37个rRNA基因和8个tRNA基因；基因组边界显示，花椒属物种的IR区域长度在26,408bp-27,639 bp，出现了明显的收缩现象。可视化和核苷酸多样性分析显示，非编码区的变异程度高于编码区，LSC和SSC区域的的变异程度要高于IR区；筛选出rps16、psbK-trnG-UCC、trnT-UGU-trnL-UAA、rpl22、ndhF-rpl32和ycf1等6个变异明显的热点区域。 （3）基于叶绿体基因组构建的花椒属种水平的ML、BI和MP系统进化树表明，强烈支持来自西印度洋岛屿的两个花椒物种形成一个分支，即Clade I位于基部，与其他花椒属物种形成姐妹群关系，其他花椒物种进一步形成两大分支，Clade II多见于热带和亚热带地区，Clade III物种主要分布于北半球偏北地区。来自美洲的物种Z. tragodes位于Clade III的基部，表明东亚物种与北美物种是近缘。值得注意的是，根据传统的Engler分类系统花椒属物种分为花椒亚属和崖椒亚属，但本研究中崖椒亚属中的两面针与花椒亚属物种聚为一个分支，而位于花椒亚属中的异叶花椒与崖椒亚属聚在一起。因此，可能无必要把花椒属细分为两个亚属。 （4）基于cpDNA时间树和祖先分布区域重建的结果表明，西印度洋的两个物种与其他花椒属物种在第三纪中新世22.38 Ma分开，由大部分的东亚物种组成的Clade II和Clade III于21.23 Ma分开，开始了单独的进化，大约在6-5 Ma开始迅速分化。青藏高原东北部的显著抬升分别在14 Ma、11.3 Ma、8 Ma、1.2 Ma和0.15 Ma，且在8.2-7.4 Ma，东亚季风开始在该地区形成，青藏高原的隆升显著影响了该地区的气候。在第四纪冰川时期（自3 Ma以来），降水主要集中在低纬度地区，青藏高原和邻近地区可能成为许多植物的避难所，这些植物在变暖期间可能传播到高海拔地区，在降温期间可能传播到低海拔地区。因此青藏高原的隆升和第四纪冰川作用可能是导致我国花椒属两大分支分离的原因。 （5）根据化石记录、前人研究及本研究数据的综合分析，花椒属物种自欧亚大陆起源后，在古新世或始新世经历了连续的洲际或长距离的迁移，花椒属物种很可能在始新世通过北大西洋陆桥拓殖到北美，然后在渐新世或中新世时期，可能经白令陆桥迁回欧亚大陆。我国花椒属物种最近共同祖先大约在晚渐新世至早中新世时期（22.38 Ma），考虑到东亚物种与北美物种的亲缘关系，我国现存的花椒属物种可能是古新世或始新世时期北美物种经白令陆桥又迁回欧亚大陆后的留存物种。花椒属物种多样化可能受到青藏高原隆升、第四期冰期和人类活动的而影响，花椒物种在我国由西向东扩散，与原地分布区相隔离并各自独立成种。我们的研究结果为我国花椒属物种在中国西南地区的青藏高原起源提供了证据。
NETL