我国东北、华北地区典型林蛙谱系生物地理学研究

【摘要】生物多样性分布格局及其成因是生物地理学研究的核心内容之一,对于理解生物多样性的演化规律、物种形成的生态学过程与进化路径、制定物种保护与管理对策等具有重要意义。两栖动物是全球生物多样性受到最严重威胁的物种类群,濒危物种比例居各种生物类群之首。同时,两栖类物种的低迁移能力、生境敏感性以及高家域忠实度,是研究谱系生物地理学与生物多样性演化规律的理想物种。我国东北、华北地区共记载了蛙科(Ranidae)林蛙属(Rana)6个物种,分别是黑龙江林蛙(RanaamurensisBooulenger,1886)、昆嵛林蛙(RanakunyuensisLuetLi,2002).东北林蛙(RanadybowskiiGunther,1876)、中国林蛙隐存种(研究中称为“中国林蛙近似种”,Ranacf.chensinensis)、桓仁林蛙(RanahuanrenensisLiu,ZhangetLiu,1993)、徂徕林蛙(RanaculaiensisLi,LuandLi,2008),其中,黑龙江林蛙(RanaamurensisBooulenger,1886)、东北林蛙(RanadybowskiiGunther,1876)、中国林蛙隐存种(研究中称为“中国林蛙近似种”,Ranacf.chensinensis)、为广泛分布种,昆嵛林蛙(RanakunyuensisLuetLi,2002)为山东昆嵛山特有种,其它两种特别稀有,本次野外调查没有采集到任何标本,因此本研究以这4个物种为研究对象,聚焦以下几个关键科学问题：(1)我国东北、华北地区四种林蛙与已知蛙科物种的线粒体基因组全序列结构是否一致?有何重要特征?(2)三种广泛分布林蛙(黑龙江林蛙、东北林蛙、中国林蛙近似种)的种群空间遗传结构及其种群的历史动态是否呈现相同趋势?(3)导致三种林蛙种群遗传多样性空间结构及种群动态变化的因素有哪些?是否符合气候隔离假说、河流障碍假说、山脊障碍假说?(4)如何根据林蛙的种群的历史变化规律制定物种保护对策?为此,本研究通过在东北、华北地区广泛调查采样,通过分子生物学方法获得序列信息,利用线粒体基因和核基因为分子标记,重建系统发育关系及分子钟估算,结合古冰期气候信息和地质事件证据开展研究,得到如下主要研究结果：(1)四个林蛙属物种线粒体基因组全序列特征通过黑龙江林蛙(Ranaamurensis)、昆嵛林蛙(R.kunyuensis)、东北林蛙(R.dybowskii)、中国林蛙近似种(R.cf.chensinensis)四种林蛙标本线粒体基因组全序列的测试,发现林蛙属中存在着新型全序列结构。黑龙江林蛙(R.amurensis)和昆嵛林蛙(R.kunyuensis)的全长分别为20,564bp和22,255bp,均包含13个蛋白质编码基因、22个转运RNA、2个核糖体RNA基因、2段控制区,与己知蛙科物种的线粒体全序列存在差异,体现在2段控制区以及tRNALeu(CUN)和ND5的易位。东北林蛙(R.dybowskii)和中国林蛙近似种(R.cf.chensinensis)的全长分别是18,864bp和18,808bp,均包含13个蛋白质编码基因、22个转运RNA、2个核糖体RNA基因、1段控制区,与己知蛙科物种的线粒体基因组全序列结构一致。根据四个物种序列长度较长的8个蛋白质编码基因以及D-loop基因的分析,ND1/ND2/ND4、ND5、cytb较COⅠ、COⅡ、COⅢ变异程度高,可以提供了更多了系统发育信息。(2)三种广泛分布林蛙的种群空间遗传结构及其种群的历史演变规律黑龙江林蛙、东北林蛙、中国林蛙近似种等三种林蛙的遗传多样性空间分布格局清晰,即遗传谱系分化明显,地理分布区域相互隔离。黑龙江林蛙(Ranaamurensis)的2个谱系分别分布在大兴安岭的高纬度高海拔区域,以及嫩江主干及以东的低海拔区域。东北林蛙(R.dybowskii)2个谱系分别分布在小兴安岭南麓,以及长白山、大兴安岭、小兴安岭。中国林蛙近似种(R.cf.chensinensis)共划分为4个谱系,谱系A分布于黄河中游(由北向南段)右岸、毛乌素沙地以南至渭河区域,谱系B分布于毛乌素沙地区域,谱系C分布于黄河中游(由北向南段)左岸,及海河流域,谱系D分布于燕山以北的东北区域。不同物种的种群历史动态稍有不同：黑龙江林蛙(R.amurensis)2个地理组在晚更新世至今存在种群扩张势；东北林蛙(R.dybowskii)3个地理组在历史上种群稳定,中更新时末期至今呈现种群扩张趋势；中国林蛙近似种(R.cf.chensinensis)4个谱系中,谱系A、B、D在历史上种群平稳,晚更新世至今存在扩张趋势,谱系C在历史上种群平稳,近期存在多次扩张过程。(3)导致三种林蛙种群空间结构变化的主要原因影响我国东北、华北地区林蛙遗传多样性空间的成因包括三种,分别是气候变化、河流和山脊。黑龙江林蛙的谱系地理结构受到希夏邦马冰期气候振荡以及大兴安岭山脊障碍的影响；东北林蛙的谱系地理结构受到古乡冰期气候振荡,以及大小兴安岭、长白山三座山脊的障碍作用。中国林蛙近似种的谱系地理结构受到更新世冰期气候变化的影响,同时黄河和燕山也分别起到了河流障碍和山脊障碍作用。(4)物种保护对策本研究的三种广布种均存在生物冰期避难所,建议建立自然保护区或者保护地。黑龙江林蛙2个谱系内部分别存在一个生物冰期避难所,分别位于海拉尔盆地和松花江中游；根据生物避难所及特有单倍型物种分布区域的重要程度,东北林蛙栖息地的重要性依次为长白山中部、小兴安岭南麓、小兴安岭北麓、大兴安岭东麓；中国林蛙近似种4个谱系内部各存在一个生物避难所,分别位于渭河流域、毛乌素沙地、太行山区域以及东北的低纬度区域,建议作为重点保护区域加以管理。综上所述,本研究探讨了四种林蛙的线粒体基因组全序列信息及特征,并且基于线粒体基因和核基因的分子证据,通过东北、华北地区三种林蛙的系统发育关系重建及分子钟估算,明确了三种林蛙的谱系地理格局,并结合地质学证据和古气候信息,揭示形成上述格局的成因包括历史气候振荡、河流障碍以及山脊障碍,为我国两栖动物的保护提供了科学依据。在本研究的基础上,后续研究可在如下几个方面开展：中国林蛙及隐存种物种确定及蛙科系统发育研究、利用生态学方法解析生物多样性空间格局、特有种的形成机理研究、我国北方地区比较生物地理学研究、未来不同环境变化情景下的物种分布格局模拟等。
【作者】李郊；
【导师】雷光春；
【作者基本信息】北京林业大学，自然保护区学，2014，博士
【关键词】蛙科；龙江林蛙；昆嵛林蛙；东北林蛙；中国林蛙近似种；线粒体全序列谱系生物；地理；

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