漆树(Toxicodendron vernicifluum(Stokes)F.A.Barkley)是漆树科(Anacardiaceae)漆属(Toxicodendron)落叶乔木。漆树因―漆‖而得名,可割取生漆,同时兼具药用和材用等多种经济价值,在东亚地区具有悠久的确认细节栽培历史。近十年来,国内外对漆树的研究主要集中于次生代谢产物、解剖特征和生长特性等方面。前期学者虽然对中国、韩国和日本部分漆树居群的遗传结构开展了研究,但由于采样区域狭窄和样本量不足,所能提供的遗传信息有限。本研究将在漆树自然分布区内系统采样,综合分析叶绿体DNA和核基因组单核苷酸多态性(SNP)变异信息,进一步系统地阐明漆树天然居群的遗传变异格局。本研究采用叶绿体全基因组、叶绿体DNA片段和简化基因组测序技术,综合使用谱系地理学、群体遗传学、景观遗传学、系统发育分析和生态位模型等多种手段揭示漆树在东亚和中国的遗传结构,分析地形与气候等因素对漆树遗传变异格局的影响,推断漆树的谱系分化和种群动态历史,识别漆树核基因组中与环境变量显著相关联的SNP位点,并预测未来气候变暖情境下不同地区漆树居群的遗传脆弱性。本研究得到的主要研究结果和结论如下:(1)通过对中国东、西部的6个漆树及其近缘种野漆(T.succedaneum)、木蜡树(T.sylvestre)的叶绿体全基因组测序及变异分析发现,所测个体的叶绿体基因组均含有87个蛋白质编码基因、37个t RNA基因和8个r RNA基因。基于蛋白质编码基因的系统发育分析表明,漆树具有中国东、西部两个分支。从基因组成和顺序看,东、西部的漆树叶绿体基因HLA-mediated immunity mutations组高度保守,但是它们之间仍然存在明显的差异。与中国东部漆树个体相比,中国西部漆树个体的叶绿体基因组长度更长,其大单拷贝(LSC)区、小单拷贝(SSC)区和反向重复(IR)区均更长。经比对后,在漆树叶绿体基因组内共检测到466个SNP和141个插入/缺失位点,其中大部分变异位点存在于东、西部分支之间。东、西部漆树叶绿体基因组的简单重复序列(simple sequence repeats)、长重复序列(long repeats)和串联重复序列(tandem repeats)数量接近,但互补长重复序列仅在中国东部个体中发现,反向长重复序列仅在中国西部个体中发现。所识别的漆树叶绿体基因组高度变异区域包括trn F-ndh J、rpl32-trn L、ccs A-ndh D、trn H-psb A、psb C-trn S、trn L-trn F、rpl32和rps19等,可用作后续漆树谱系地理学研究中的潜在分子标记。(2)基于两条叶绿体DNA序列(trn L和trn L-F)对中国、韩国和日本79个漆树居群的449株个体的遗传变异进行分析,共检测到7个单核苷酸变异位点,识别5种单倍型。漆树具有清晰的东、西部之间的谱系地理间断,且东、西部分支的地理分布大致以中国第二、三阶梯的分界线为界。西部分支的野生漆树个体主要集中分布于中国西部的―第二阶梯‖,如云贵高原、秦岭、大巴山和太行山等地,而东部分支的野生漆树个体主要集中分布于中国东部的―第三阶梯‖以及朝鲜半岛、日本等地。这一谱系地理间断比前期研究所揭示的结果更为清晰,涉及范围也更广,从亚热带地区(如雪峰山等地)延伸到暖温带地区(如太行山等地)。漆树的谱系地理格局反映了其在东、西部两个冰期避难所内经历了长期的地理隔离,进而发生异域分化。迁移矢量分析结果支持漆树自末次间冰期分布范围逐渐扩张,中国西部的山脉和东海大陆架可能是漆树的扩散廊道。结合化石记录和分子证据,本研究支持日本的漆树可能自然起源于中国东部,在冰期经东海大陆架扩散至日本。(3)基于四条叶绿体DNA序列(trn L、trn L-F、trn H-psb A和mat K)对中国39个漆树居群的357株个体的遗传变异进行分析,共检测到22个单核苷酸变异位点、5个插入/缺失位点和1个倒置片段,识别19种单倍型。中介网络图将所有单倍型分为东、西两大分支。BEAST分析表明,漆树东、西分支约在上新世晚期至更新世早期(2.38 LY294002分子量Ma;95%HPD:1.45–3.68 Ma)分化,可能与青藏高原及其周围山地隆升和东亚夏季季风增强有关。在西部分支内,漆树具有三组特有单倍型,分别为云南怒江特有单倍型、贵州高原-武陵山特有单倍型和秦岭-大巴山特有单倍型;贵州高原-武陵山特有单倍型和秦岭-大巴山特有单倍型的气候生态位重叠程度较低,表明中国西部漆树存在微弱的南、北分化。遗传界限分析支持将漆树划分为中国东部、秦岭-大巴山、贵州高原-武陵山和云南怒江等优先保护单元;位于分布区边缘的安徽黄山(AHH)居群和山西交口(JIK)居群与邻近居群遗传分化明显,亦可作为独立的保护单元;受复杂山地地形因素影响,贵州高原-武陵山地区的邻近漆树居群,如湖北秭归(MPX)居群、贵州赤水(CHI)居群、贵州雷公山(LGS)居群、湖南云山(YUN)居群和湖南保靖(BYS)居群间的遗传界限明显,在种质资源管理实践中应重视对贵州高原-武陵山地区不同漆树居群遗传独特性的保护。(4)利用特异性位点扩增片段测序(SLAF-seq)对中国39个漆树居群的175株个体进行测序,每株个体平均获得5,697,771条clean reads,平均比对率为85.47%。结合主成分分析、ADMIXTURE分析和系统发育分析,可将中国漆树分为云南怒江(NUJ)、贵州高原(GZP)、秦岭大巴山1(QB1)、太行山(THS)、中国东部(EAS)、秦岭大巴山2(QB2)、湖北星斗山(XDS)和湖北秭归(MPX)8个遗传分组;其中,前5个组中单一祖先成分的占比相对较高,后3个组则均表现为两种不同祖先成分的遗传混合。种群动态历史模拟表明,漆树东、西部分支约在2.66 Ma(95%CI:1.95–3.96 Ma)分化,支持湖北星斗山(XDS)居群经由贵州高原(GZP)和中国东部(EAS)组间的遗传混合事件所产生。潜在因子混合模型(LFMM)分析表明,野生漆树中205个SNP的等位基因频率和环境变量显著关联,其中与海拔和温度因子相关联的SNP数量较多。梯度森林(GF)分析表明,海拔、等温性、温度季节变化方差和最湿月降水量对野生漆树适应性遗传变异格局的解释度较高。在未来气候变暖情境下,中国东部和南部漆树居群具有较大的遗传偏移,中国东部、云贵高原和湖北星斗山地区的漆树更容易受到气候变化的影响。综上所述,叶绿体基因组序列、叶绿体DNA片段和核SNP位点均支持漆树具有以中国第二、三阶梯分界线为界的东、西部两大谱系;同时,受地形和气候因素影响,中国西部野生漆树在云南怒江、贵州高原、秦岭-大巴山和太行山等地区间存在遗传分化,而大巴山、武陵山地区的野生漆树则表现在东、西部谱系之间的遗传混合。漆树具有与海拔、气温和降水因子相关联的适应性遗传变异,中国东部、云贵高原和湖北星斗山地区的漆树在未来更容易受到快速气候变化的威胁,应在此基础上科学制定漆树种质资源保护策略。