摘要
当前全球气候变化日趋严峻，这为生物多样性保护、林木种质资源利用及森林经营管理带来了巨大挑战。森林树种在维持生态系统的稳定以及提高生态系统功能方面扮演着重要角色。澄清重要森林树种的遗传变异格局和进化历程、预测其对未来气候的响应，对林业资源的保护与利用至关重要。对于长生活周期史的森林树种，遗传变异格局与适应性分化形成和维持的分子机制仍存在许多未知，更缺少起源方式及群体分布特征具有显著差异的树种间的对比分析。本论文以同倍性杂交起源、分布区广泛且连续并占据独特高原生态位的针叶树种——高山松(Pinus densata Mast.）和独立起源、分布区破碎的中国特有濒危针叶树种——白皮松(Pinus bungeana Zucc.ex Endl.）为研究对象，在全分布区范围内进行群体采样，鉴定全基因组水平的单核苷酸多态性（SNPs）和细胞质标记，比较不同起源方式的两种松树的遗传多样性和遗传结构，解析群体演化历史及地理、生态对空间遗传格局和适应性的影响，揭示遗传分化及适应性分化的分子机制，并预测现存种群对未来气候变化的适应能力。本研究主要获得以下研究结果: （1）建立了简化基因组测序（GBS）及外显子捕获测序分析流程，实现了对针叶树高效、低成本、高可信度的基因组水平的遗传分析。利用GBS,本研究在白皮松基因组范围内获得了 30,300个SNPs;利用外显子捕获测序，在高山松基因组范围内获得了 79,028个高质量SNPs。这些方法在分子标记开发和基因分型方面具有广阔的应用潜力，为白皮松、高山松及近缘物种的遗传分析、种质资源利用研究奠定了重要技术基础。 （2）高山松和白皮松都呈现了显著的空间地理分化，相比之下独立起源的白皮松比杂交起源的高山松遗传多样性更低且分化程度更高。ⅰ）局限且孤立分布的白皮松具有极低的遗传多样性，其平均核苷酸多样性（π）为0.0014,9个线粒体DNA片段（11,423 bp）都没有变异，9个叶绿体SSR只发现了一个存在变异。与亲本存在渐渗的高山松具有更高的遗传多样性，其平均π值为0.0032。ⅱ）白皮松与高山松都具有显著的群体遗传结构。白皮松群体间的遗传分化水平更高（总体FST=0.234），可以分为2个遗传小组（东部组和西部组）。高山松可以分为4个遗传小组（东部组、中部组、西南部组和西部组），对应不同的地理区域，组间分化明显，FST高达0.178。 （3）历史时期的造山运动和气候变迁塑造了两种针叶树现有群体遗传格局及多样性的地理分布。基于群体演化历史的模拟，本研究发现:ⅰ）高山隆升推动了种内区域性地理群体间的分化。秦岭的快速隆起导致了白皮松两个谱系的分化与显著的瓶颈。ⅱ）第四纪更新世气候波动导致了群体规模的剧烈改变。更新世期间，白皮松东部组扩张，西部组持续衰退，并导致了白皮松遗传分化的加强和遗传多样性的降低;高山松的群体演化历史与更新世时期的冰川史具有显著的相关性，不同遗传小组表现出冰期收缩、冰期后局部范围扩张的周期性循环;ⅲ）异质性山地提供的避难所保证了物种的延续，但也加剧了种内分化。高山松在冰川期间存在于多个避难所中，因此保留了古老的遗传结构，并促进了种群规模的反弹，使其在第四纪冰期具有持久性与恢复力。 （4）地理景观、生态选择和基因流动对两种针叶树的当代遗传格局都有显著影响。秦岭中部存在的巨大基因流动屏障将白皮松分为明显的两个种群，其它的基因流动障碍也与景观的地形变化相对应。生态选择对白皮松群体遗传多样性的贡献较小（8％）,但影响显著。高山松与亲本种的基因渐渗模式随地域的变化而产生差异，基因流的空间模式与复杂破碎的地理景观相呼应。高山松与其亲本种云南松(Pinus yunnanensis Franch.）的跨物种过渡带内存在显著的海拔梯度，此区域内生态选择解释了高达26.9％的遗传变异，呈现出非常强烈的生态选择的信号。 （5）内在的遗传因素与外在的生态选择共同参与了针叶树适应性遗传分化与物种边界的形成。在高山松与近缘种云南松过渡带内的基因组渐变模式及生态环境特征的分析发现，3.36％（1,941）的位点具有异常的渐渗模式，表明这些位点可能在适应性或生殖隔离中发挥作用。这些离群位点（outliers）沿着关键的气候梯度呈现出强烈的梯度变化，并富集于高海拔适应相关的生物过程，表明生态选择在物种过渡区的基因组异质性和遗传屏障的形成中发挥了重要作用。 （6）未来气候对白皮松和高山松边缘群体的影响更大，对不同地理区域的群体应实施不同的保护管理措施。通过构建基于人工智能算法的基因型-环境关联模型，本研究预测了未来气候下白皮松最脆弱的地区是其分布区的东南边缘，该地区可能面临基因型难以匹配未来气候的挑战。本研究建议保护措施应侧重于在每个遗传谱系内进行辅助迁移，以增强基因库和种群增长，从而降低进一步的遗传漂变和灭绝的风险。 本研究探究了在碎片化和异质景观上的地理因素、生态选择、遗传渐渗、迁移历史和基因流动障碍等因素对针叶树遗传变异和基因组渐变模式的影响，并预测了未来气候的潜在影响，为解析针叶树种物种分化和群体遗传格局的形成与维持机制提供了重要实例，为针叶树的遗传选育、种质资源的利用及森林资源保护与经营管理提供了参考。
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