基于形態(tài)特征的地圖衣屬地衣分支系統(tǒng)學(xué)研究

古力娜·哈納特， 李作森， 艾尼瓦爾·吐米爾

(新疆大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，烏魯木齊 830046)

地圖衣屬(RhizocarponRamond ex. DC)是地圖衣科(Rhizocarpaceae M. Choisy ex Hafellner)其中的一個(gè)屬，其地衣體大多為殼狀，少數(shù)為鱗葉狀或石內(nèi)生地衣，是一種高山極地地衣。地圖衣主要生長(zhǎng)在海拔2 km以上的高山裸露的巖石表面，在我國(guó)主要分布于西部地區(qū)和東北地區(qū)[1]。地圖衣屬最早由Ramond于1805年建立[2-4]，是地圖衣科中分布最廣泛的屬，全世界地圖衣約224種[5]，中國(guó)有39種[6]，其中新疆有22種[7]。早期國(guó)內(nèi)對(duì)地圖衣屬的研究較少，中國(guó)地圖衣大都由西方學(xué)者報(bào)道，R?s?nen對(duì)歐洲的黃綠色地圖衣進(jìn)行了初步的分類學(xué)研究，并表明黃綠色地圖衣在阿爾泰山脈分布非常普遍[8]。瑞典植物學(xué)家Runemark研究了歐洲黃綠色地圖衣[9]，并詳細(xì)描述了其形態(tài)特征及分布。Thomson根據(jù)地衣體顏色和是否含地衣酸，把地圖衣屬分成含有地衣酸的黃綠色地圖衣(R.subg.Rhizocarpon)，以及不含地衣酸的非黃綠色地圖衣(R.subg.Phaeothallus)兩個(gè)亞屬[10]。

分支系統(tǒng)學(xué)研究在高等植物中應(yīng)用的比較廣泛[11-16]，但在地衣中研究較少。本研究在對(duì)地圖衣屬地衣的形態(tài)和解剖特征進(jìn)行觀察和總結(jié)的基礎(chǔ)上采用分支系統(tǒng)學(xué)研究方法，對(duì)新疆地圖衣屬地衣進(jìn)行分支系統(tǒng)學(xué)分析，期望為地圖衣屬地衣的種間分類關(guān)系提供形態(tài)學(xué)依據(jù)，同時(shí)與分子系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)進(jìn)行比較，探討基于形態(tài)學(xué)特征的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)和分子系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)之間是否吻合，以及在地圖衣屬分類學(xué)研究中的重要形態(tài)特征，進(jìn)一步確認(rèn)新疆地圖衣屬地衣的系統(tǒng)分類地位，為后續(xù)地圖衣屬地衣的分類研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究根據(jù)2004年至2018年期間采自新疆的200多份地圖衣屬地衣標(biāo)本和已有的參考文獻(xiàn)[17-19]，選取新疆地圖衣屬地衣22種作為研究對(duì)象(部分見(jiàn)圖1)。外類群選擇了分布在我國(guó)的地圖衣科其他2個(gè)屬的2個(gè)種：袖珍瘤衣[Catolechiawahlenbergii(Ach.) K?rb.]和粗糙表衣[Epilichenscabrosus(Ach.) Clem.]。所有的地衣標(biāo)本現(xiàn)存于新疆大學(xué)資源生物學(xué)研究中心。

1.2 方法

1.2.1 性狀選取和編碼

性狀的選取主要根據(jù)對(duì)地衣標(biāo)本的觀察和文獻(xiàn)的廣泛閱讀比較和研究來(lái)確定，根據(jù)22種地圖衣屬地衣的形態(tài)特征特點(diǎn)，選定23個(gè)形態(tài)學(xué)性狀進(jìn)行分支系統(tǒng)分析(表1)，對(duì)選定的性狀進(jìn)行編碼，狀態(tài)編碼為0，1，2，未有記載或不明的性狀特征均為“？”表示，性狀編碼不代表進(jìn)化順序(表2)。

圖1 地圖衣地衣形態(tài)圖片F(xiàn)igure 1 Morphological photos of Rhizocarpon species

1.2.2 系統(tǒng)發(fā)育分析

利用Microsoft Excel 2003 和Ntedit1.2[17-18]軟件記錄原始數(shù)據(jù)，將原始特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多態(tài)數(shù)據(jù)矩陣(表2)。數(shù)據(jù)矩陣的分支分析利用PAUP 4. 0軟件[20-22]。在分支分析中，以袖珍瘤衣(Catolechiawahlenbergii)和粗糙表衣(Epilichenscabrosos)為外類群，采用啟發(fā)式搜索策略，100次隨機(jī)序列加入，TBR枝長(zhǎng)交換，每步只保存10個(gè)樹(shù)，最后得到最大簡(jiǎn)約樹(shù)，用靴帶值(Bootstrap)對(duì)系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而對(duì)地圖衣屬22種的系統(tǒng)演化和種間關(guān)系進(jìn)行研究[12]。

表1 形態(tài)性狀及編碼

表2 基于23個(gè)形態(tài)性狀構(gòu)建的分支系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)矩陣

為了進(jìn)一步確定分支系統(tǒng)學(xué)分析結(jié)果的可靠性，從GeneBank中下載對(duì)應(yīng)的地圖衣屬地衣及LecidearubrocastaneaT. Sprib.的ITS序列共18條，以LecidearubrocastaneaT. Sprib.為外類群，進(jìn)行分子系統(tǒng)發(fā)育分析，并與基于形態(tài)特征的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)進(jìn)行比較分析。

綠線代表外類群；紅線代表雙胞地圖衣；黑線代表磚壁型地圖衣。枝上數(shù)字為靴帶值(Bootstrap)。圖2 基于23個(gè)性狀的MP分支樹(shù)Figure 2 Strict consensus trees based on 23 morphological characteristics

2 結(jié)果與分析

2.1 簡(jiǎn)約性分析

對(duì)所選的23個(gè)形態(tài)性狀的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行簡(jiǎn)約性分析，得到步長(zhǎng)為56的同等最簡(jiǎn)約樹(shù)，一致性指數(shù)CI(consistency index)為0.482，保留性指數(shù)RI(retension index)為0.750，重調(diào)后的一致性指數(shù)RC(rescaled consistency index)為0.362，同源性指數(shù)HI(homoplasy index)為0.518，其一致性指數(shù)并不高，說(shuō)明所篩選的地衣體形態(tài)性狀中存在較多的非同源性狀，這可能是一些地衣物種的形態(tài)性狀不明或未被描述所產(chǎn)生的結(jié)果[13]，從而會(huì)影響系統(tǒng)發(fā)育重建的可靠性和準(zhǔn)確性。

由簡(jiǎn)約性分析結(jié)果可知，地圖衣科表衣屬(Epilichen)與瘤衣屬(Catolechia)的代表種作為外類群，它們自然獨(dú)立出來(lái)構(gòu)成一個(gè)分支，而另外一個(gè)大的分支是由地圖衣屬地衣組成。在這個(gè)大的分支中，地圖衣屬又分為兩個(gè)分支。

2.2 MP法分析

基于同等簡(jiǎn)約樹(shù)的嚴(yán)格一致樹(shù)顯示(圖2)，地圖衣屬、表衣屬與瘤衣屬以86%的Bootstrap形成一個(gè)大分支，其中，瘤衣屬與表衣屬作為外類群形成單獨(dú)一支與地圖衣屬分開(kāi)，地圖衣屬地衣自然獨(dú)立出來(lái)形成一個(gè)大分支，說(shuō)明了地圖衣屬的分類地位。

地圖衣屬組成的大分支又形成兩個(gè)分支，其中，小地圖衣(R.parvum)、微地圖衣(R.pusillum)、烏皿地圖衣(R.umense)、黑瘤地圖衣(R.simillimum)、巖表地圖衣(R.superficiale)、黑紅地圖衣(R.badioatrum)、類石地圖衣(R.eupetraeoides)歸為一支，其余地圖衣歸為另一支，并且第一分支主要由子囊孢子雙胞型的地圖衣組成，另一分支由子囊孢子亞磚壁型和磚壁型地圖衣組成。后一分支又可以分為3個(gè)小分支，蜥羽地圖衣(R.saurinum)、綠孢地圖衣(R.furax)、平茶漬地圖衣(R.atrovirellum)、烏綠地圖衣(R.viridiatrum)歸為一支；岸表地圖衣(R.concentricum)、疏地圖衣(R.reductum)、巨地圖衣(R.grande)、石地圖衣(R.petraeum)、雙孢地圖衣(R.geminatum)、灰地圖衣(R.disporum)歸為一支；地圖衣(R.geographicum)、淡黃色地圖衣(R.atroflavescens)、大孢地圖衣(R.macrosporum)、茶漬地圖衣(R.lecanorinum)、岸邊地圖衣(R.riparium)歸為一支。

在上述系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)中，小地圖衣與微地圖衣以97%的Bootstrap值聚在一起，該兩種形態(tài)解剖特征也極為相似。地圖衣和淡黃色地圖衣以63%的 Bootstrap 值聚在一起，該兩種又與大孢地圖衣以54%的Bootstrap 值聚在一起。平茶漬地圖衣、蜥羽地圖衣和綠孢地圖衣以52%的Bootstrap 值聚在一起，且又與烏綠地圖衣以78%的Bootstrap值聚在一起。

2.3 系統(tǒng)發(fā)育分析

從GeneBank中下載對(duì)應(yīng)的地圖衣屬地衣的ITS序列17條，構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)(圖3)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)17種地圖衣屬地衣種類構(gòu)成一個(gè)大分支，以100%的支持率與外類群分開(kāi)。地圖衣屬地衣組成的大分支又形成3個(gè)小分支，第一個(gè)分支由黑紅地圖衣、雪山地圖衣(R.effiguratum)、雙孢地圖衣、小地圖衣、微地圖衣和巖表地圖衣等6種組成，其中除了雙孢地圖衣，其余種類的子囊孢子類型均為雙胞型；第二個(gè)分支由淡黃色地圖衣、灰地圖衣、綠孢地圖衣、地圖衣、巨地圖衣、茶漬地圖衣、大孢地圖衣、岸邊地圖衣和蜥羽地圖衣(R.saurinum)等9種組成，并且這些物種都具有亞磚壁型或磚壁型孢子，形態(tài)解剖特征較為相似；第三個(gè)分支由疏地圖衣與石地圖衣組成。上述系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)與基于形態(tài)學(xué)的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)也較為一致，在上述系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)中，親緣關(guān)系較近的地圖衣和淡黃色地圖衣以較高的支持率仍聚為一類；同樣小地圖衣和微地圖衣也聚為一類；綠孢地圖衣和蛡羽地圖衣也大致聚為一類；基于形態(tài)特征的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)中，岸邊地圖衣和茶漬地圖衣為姐妹群，親緣關(guān)系較近，同樣也得到了本系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的支持。

圖3 地圖衣屬ITS位點(diǎn)序列基于貝葉斯法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Figure 3 Bayesian inference phylogeny based on ITS sequences of Rhizocarpon

3 討論

本研究對(duì)地圖衣屬地衣進(jìn)行基于形態(tài)特征的分支分析，并與分子系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)進(jìn)行了綜合分析，在基于形態(tài)學(xué)特征的分支樹(shù)中，地圖衣屬地衣獨(dú)立于外類群?jiǎn)为?dú)形成一支，地圖衣屬地衣又被分為兩支，分析表明兩個(gè)分支的不同之處在于子囊孢子的類型，雙胞型子囊孢子的小地圖衣、微地圖衣、烏皿地圖衣、黑瘤地圖衣、巖表地圖衣、黑紅地圖衣和類石地圖衣聚成一支，而其余的磚壁型或亞磚壁型孢子的地圖衣聚成另外一個(gè)分支，子囊孢子雙胞型的地圖衣與磚壁型或亞磚壁型孢子的地圖衣有明顯的分類界線，且雙胞地圖衣與磚壁型地圖衣可作為一個(gè)單獨(dú)的分支存在，說(shuō)明子囊孢子的類型可以作為地圖衣屬地衣分類的依據(jù)。王偉成在對(duì)地圖衣屬進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析時(shí)，系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)按照地衣孢子特征劃分為孢子磚壁無(wú)色、孢子雙胞無(wú)色和孢子雙胞棕色等主要分支，認(rèn)為孢子的特征是地衣進(jìn)化的重要分類依據(jù)，該研究支持王偉成將孢子形態(tài)作為地圖衣劃分依據(jù)的觀點(diǎn)[17]。但本研究中岸表地圖衣和疏地圖衣孢子無(wú)色，且為姐妹類群，其余地圖衣均為孢子有色，因此孢子顏色可否作為地圖衣劃分的依據(jù)，需要更多的數(shù)據(jù)進(jìn)一步探討。

在對(duì)基于形態(tài)特征的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)第二分支中小分支的劃分上，基本上是根據(jù)地衣體顏色、地衣酸及子囊孢子的類型劃分為3個(gè)不同的小分支。如第一小分支的蜥羽地圖衣、綠孢地圖衣、平茶漬地圖衣、烏綠地圖衣，它們都是含地圖衣酸，子囊孢子為亞磚壁型的黃綠色地圖衣；第二小分支的岸表地圖衣、疏地圖衣、巨地圖衣、石地圖衣、灰地地圖衣他們都是地衣體非黃綠色，無(wú)地衣酸且子囊孢子為磚壁型的地圖衣；第三分支的地圖衣、大孢地圖衣、茶漬地圖衣、岸邊地圖衣聚為一類，它們具有的共有特征是地衣體黃綠色，含地衣酸且子囊孢子為磚壁型。Thomson把地圖衣分為兩個(gè)亞屬，分別為含有地衣酸的黃綠色地圖衣R.subg.Rhizocarpon和不含地衣酸的非黃綠色地圖衣R.subg.phaeothallus[10]，而王偉成的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)并未將黃綠色地圖衣聚為一支，而是黃綠色和非黃綠色地圖衣相互穿插[17]，本研究分子系統(tǒng)樹(shù)中，地衣體黃綠色的蜥羽地圖衣與地衣體非黃綠色的灰地圖衣和巨地圖衣聚在一起，與基于形態(tài)特征的分支系統(tǒng)結(jié)果有差異，因此可否將地衣體顏色和是否含地衣酸作為地圖衣屬分類的依據(jù)，還需要更加深入的研究。

本研究中性狀的篩選是基于對(duì)標(biāo)本的觀察和文獻(xiàn)的記載確定的，包含了地圖衣屬分類的重要性狀，盡管如此，仍有許多形態(tài)性狀并沒(méi)有得到較好類群劃分的支持，這可能是因?yàn)橐恍┬誀顦O易受到環(huán)境的影響而在個(gè)體間存在一定的差異[14]，另外，數(shù)量性狀在轉(zhuǎn)化為多態(tài)性狀時(shí)也會(huì)出現(xiàn)偏差[11]，因此出現(xiàn)一些性狀不支持類群的劃分情況。為了進(jìn)一步確認(rèn)分支系統(tǒng)學(xué)分析結(jié)果的可靠性，進(jìn)行分子系統(tǒng)發(fā)育分析。結(jié)果表明分子系統(tǒng)學(xué)研究結(jié)果與分支系統(tǒng)學(xué)研究結(jié)果一致，在基于形態(tài)特征的系統(tǒng)發(fā)育中，地圖衣屬依據(jù)子囊孢子的類型聚為兩支，分子系統(tǒng)發(fā)育結(jié)果基本支持此劃分結(jié)果。地圖衣和淡黃色地圖衣為姐妹群，同時(shí)與大孢地圖衣聚在一起，與分子系統(tǒng)研究結(jié)果一致；此外，小地圖衣與微地圖衣、蜥羽地圖衣和與綠孢地圖衣同樣得到了分子系統(tǒng)研究結(jié)果的支持。但是也有不同之處，雙孢地圖衣的子囊孢子為磚壁型孢子，在分子系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)種，其穿插在子囊孢子雙胞型的地圖衣中，另外，疏地圖衣和石地圖衣單獨(dú)聚為一支，與基于形態(tài)特征的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)有差異，因此，對(duì)它們?cè)诜诸愊到y(tǒng)中的位置，還需要借助其他手段。分子系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)和基于23個(gè)地衣形態(tài)特征的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)大體一致，雖然子類群的劃分不一致，但從大類群的劃分來(lái)看，子囊孢子的類型是地圖衣屬劃分非常重要的性狀，這也可以為地圖衣屬地衣分類地位提供一定的形態(tài)學(xué)依據(jù)。