Institutional Repository of Key Laboratory of Experimental Marine Biology, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences
中国近海珊瑚藻(红藻门:珊瑚藻亚纲)分子系统学与多样性研究 | |
闫舒恒![]() | |
学位类型 | 博士 |
导师 | 王广策 |
2024-11-16 | |
学位授予单位 | 中国科学院大学 |
学位授予地点 | 中国科学院海洋研究所 |
学位名称 | 理学博士 |
学位专业 | 海洋生物学 |
关键词 | 珊瑚藻 生物多样性 系统发育分析 生物地理区系 生物碳汇 |
摘要 | 温室效应已成为一个日益严峻的全球性气候问题,也是海洋生态系统面临的主要威胁。珊瑚藻(coralline algae)作为海洋钙化生物的代表性类群,在全球范围内广泛分布,在多样化的生态系统中承载着重要的基础性生态功能,并代表了一个尚未量化但意义重大的碳储存库。珊瑚藻也是对气候问题最为敏感的生物类群之一,其多样性的降低和生物量的减少可能在全球沿海生态系统引发负面的级联效应。尽管如此,珊瑚藻的基础生物学研究仍然缺乏重视,尤其是对其分类学和生物多样性的理解很不充分。近年来,分子生物学为珊瑚藻多样性研究带来了革新,推动着珊瑚藻演化、生理、生态和保护生物学领域的快速发展。然而,我国的珊瑚藻多样性研究与国际水平仍存在一定差距。为了提升对我国珊瑚藻类群的资源保护和利用,并强化生态评估的科学基础,需要明确其资源分布现状、开展深入的系统修订和分类系统更新,构建系统性的珊瑚藻类群分子数据资料库。因此,本论文围绕珊瑚藻这一重要的海洋钙化生物类群,开展了广泛的野外调查采集工作,基于形态分类学、分子系统学和生态生理学研究思路,综合运用形态比较、系统发育分析、原位生态调查、室内培养与生理实验等方法,对中国珊瑚藻主要类群进行了物种鉴定和分子水平的生物多样性评估,同时修订了国际现行珊瑚藻分类系统,并对珊瑚藻生物资源价值展开了初步探究。本论文的主要结果如下: (1)更新中国有节珊瑚藻类群的多样性记录,揭示其生态价值,并初步构建有节珊瑚藻室内实验平台。本论文在广泛的野外多样性采集基础上,成功鉴定并生成了11个常见有节珊瑚藻物种的分子标记数据,其中包括贝氏珊瑚藻和函馆珊瑚藻2个新纪录种;基于系统发育关系,提出恢复原叉珊藻族中唇孢藻属和海羽藻属2个属的分类学地位;通过组学水平的系统发育分析及比较线粒体基因组学研究,深入探讨珊瑚藻属部分疑难物种划分问题,揭示了形态学隐存种函馆珊瑚藻和物种贝氏珊瑚藻复合种物种界定上存在的问题;基于原位生态调查,揭示了有节珊瑚藻藻丛在中国温带海域潮间带的广泛分布及其较高的生物量,其无机碳含量显著高于其他潮间带海藻类群,反映出潜在的碳储存价值;实现了有节珊瑚藻在室内小水体中的连续培养,跟踪研究了函馆珊瑚藻孢子生长发育过程,同时以模拟酸化海水条件为例开展了环境因子控制培养试验,为后续生理学和分子生物学研究奠定了基础。 (2)提出石叶藻亚科系统发育关系和演化历史的新见解,建立了1个新属拟皮藻属,推进了对中国附生珊瑚藻类群的认知。本论文基于丰富的标本分子信息,应用物种划分算法,初步揭示了中国22个附生珊瑚藻类群,其中10个类群位于石叶藻亚科,远超已知记录的多样性;结合全球相关类群的分子数据与地理分布信息,探讨了特提斯终端事件主导的地理隔离与石叶藻亚科内部复杂多系性的关联,证明了石叶藻亚科皮石藻属分类学地位的有效性,并对石叶藻属的分类学概念进行了限定;此外,基于广泛分布于中国沿海的薄壳石叶藻亚科类群,建立了新属拟皮藻属,指定新物种中华拟皮藻作为属模物种,并通过拟皮藻属、皮石藻属和石叶藻属的比较形态学研究提出了石叶藻亚科壳状珊瑚藻适应不同生活方式的形态建成模型。 (3)系统梳理和全面更新了中国珊瑚藻亚纲的物种记录,显著提升了对该类群物种多样性和区系特征的认识。本论文基于在全国58个采样点采集的843号标本验证了22条物种记录,发现了5个新纪录种,并记录了97个未知类群,将中国珊瑚藻亚纲的物种多样性由《中国海藻志》记录的1目2科17属55种更新为3目8科33属107种;同时揭示了中国珊瑚藻亚纲在物种多样性、跨纬度差异的多样性组成以及鲜明的区系特征方面的显著特点。 本论文在继承我国经典分类学研究成果的基础上,为我国珊瑚藻多样性研究提供了系统性的分子标记数据信息;同时,对国际现行珊瑚藻分类系统进行了修订,主要体现在对石叶藻亚科内部属级阶元的重新界定,并对珊瑚藻亚科珊瑚藻属、叉珊藻族等类群的分类学争议提出观点。本论文不仅揭示了中国珊瑚藻类群高度丰富的多样性,也揭示了珊瑚藻类群在物种分化研究、生物地理区系研究和生物碳储存等多领域重要的潜在价值,为我国未来珊瑚藻资源开发与更深入的生物学研究提供了有价值的基线资料。 |
其他摘要 | The greenhouse effect has emerged as a progressively critical global climate challenge and poses the most significant threat to marine ecosystems. Coralline algae, as a representative group of marine calcifiers, are globally distributed and perform essential ecological functions across diverse ecosystems while serving as an unquantified yet significant carbon reservoir. As one of the most vulnerable groups impacted by climate change, declines in both the abundance and growth of coralline algae may initiate negative cascading effects within coastal ecosystems worldwide. However, substantial gaps remain in our understanding of the fundamental biology of coralline algae, particularly regarding their taxonomy and biodiversity. In recent years, molecular systematics has catalyzed advancements in the study of coralline algae diversity and facilitated comprehensive investigations into their evolution, physiology, ecology, and conservation biology. Nevertheless, a significant disparity remains between research on coralline algae diversity in China and that conducted internationally. To enhance the utilization and protection of Chinese coralline algae resources while strengthening the scientific foundation for ecological assessments, it is imperative to elucidate resource distribution status, undertake thorough systematic revisions and classifications, and establish a comprehensive molecular database in China. This study, therefore, concentrated on these vital marine calcifying organisms through extensive sampling integrated with taxonomy, molecular systematics, ecology and physiological research methods. Morphological comparisons, phylogenetic analyses, in situ ecological surveys, as well as culture and physiological experiments were employed collectively to facilitate species identification and biodiversity assessment at the molecular level for the primary groups of coralline algae in China; revise the existing international classification system; and evaluate biological resources of Chinese coralline algae. The main conclusions of this study are as follows: (1) Updated the diversity records of geniculate coralline algae in China, elucidated their ecological significance, and established a preliminary experimental platform. This thesis identified and provided molecular information for 11 species, including two new records: Corallina berteroi and C. hakodatensis, based on extensive field collections; revised the classification of the genus Jania and emended the taxonomic validity of the genera Cheilosporum and Haliptilon through phylogenetic analysis; and addressed the species definition issues within the genus Corallina employing omics-level genomics comparisons. Furthermore, it demonstrated the potential of geniculate coralline algal turfs as inorganic carbon sinks in China’s temperate intertidal zones based on in-situ ecological surveys; and achieved continuous cultivation along with growth development records for geniculate coralline algae in small aquatic environments, as well as controlled cultivation under simulated acidified seawater conditions, laying a foundation for subsequent physiological and molecular biological research. (2) Provided new insights into the phylogenetic relationships and evolutionary history of the subfamily Lithophylloideae, with a novel genus Pseudoderma gen. nov. established, and enhanced the understanding of epiphytic coralline algae groups in China. This thesis revealed an extraordinary diversity of epiphytic coralline algae in China, particularly within the subfamily Lithophylloideae, though the application of species delimitation algorithms; combined with global molecular data and geographic distribution information, demonstrated a close association between geographic isolation and diversification in Lithophylloideae influenced by the Tethys terminal event; confirmed the taxonomic validity of the genus Titanoderma within Lithophylloideae, and redefined the taxonomy conception of the genus Lithophyllum. A novel genus, Pseudoderma gen. nov., was subsequently established, with P. sinicarum sp. nov. designated as the generic species, which was widely distributed along coastal China. Additionally, a morphogenetic model for the adaptation of Lithophylloideae crustose coralline algae to different lifestyles was proposed based on comparative morphological studies among genera Pseudoderma, Titanoderma, and Lithophyllum. (3) Systematically reviewed and comprehensively updated the records of the subclass Corallinophycidae in China, significantly enhancing the understanding of species diversity and floral characteristics. Based on 843 samples collected from 58 sampling points along the coast of China, this thesis validated 22 species records, including five new records, thereby updating the species diversity of Corallinophycidae in China to encompass three orders, eight families, 33 genera, and 107 species, as well as 97 unidentified taxa. Additionally, this thesis revealed significant characteristics of China's Corallinophycidae regarding species diversity, cross-latitude differences in diversity, and distinctive patterns within the North Pacific biological flora. Building upon the research results of classical taxonomy in China, this thesis provided systematic molecular marker data for the study of coralline algal diversity in China. Simultaneously, a revision of the current international classification system for coralline algae was undertaken, primarily through a redefinition of the subfamily Lithophylloideae and an exploration of taxonomic controversies surrounding the tribe Janieae and genus Corallina. This thesis not only revealed the exceptionally rich diversity of coralline algae in China but also demonstrated their significant potential value across multiple fields, including species differentiation studies, biogeographic flora analysis, and bioinorganic carbon sink functionality. These findings will provide valuable baseline data for the development and conservation of coralline algae resources as well as for more extensive biological investigations in China. |
语种 | 中文 |
目录 | 第1章 绪论 1 1.1 全球气候变化威胁海洋生态系统健康 1 1.1.1 全球气候问题导致海洋环境变化 1 1.1.2 海洋钙化生物:全球气候变化的敏感类群 1 1.2 海洋生态系统中的珊瑚藻 2 1.2.1 珊瑚藻:钙化海藻的代表性类群 2 1.2.2 珊瑚藻的全球分布 3 1.2.3 珊瑚藻的生态功能 4 1.2.4 海洋环境变化对珊瑚藻的影响 5 1.3 珊瑚藻分类学概述 6 1.4 珊瑚藻多样性研究发展沿革 9 1.4.1 珊瑚藻资源的历史应用 9 1.4.2 早期珊瑚藻多样性研究:珊瑚藻概念的认知过程 10 1.4.3 近代珊瑚藻多样性研究:经典分类学系统的构建 10 1.4.4 现代珊瑚藻多样性研究:分子系统学的新突破 11 1.4.5 珊瑚藻多样性研究的挑战与展望 13 1.5 中国珊瑚藻多样性研究 14 1.6 研究目标与内容 15 1.6.1 研究目标 15 1.6.2 研究内容 15 第2章 中国有节珊瑚藻多样性研究 17 2.1 前言 17 2.2 材料与方法 18 2.2.1 样本采集与生态调查 18 2.2.2 核酸提取与目的序列扩增 19 2.2.3 分子系统发育分析 21 2.2.4 线粒体组的比较基因组学分析 22 2.2.5 有节珊瑚藻的室内培养与生理指标测定 24 2.3 结果 27 2.3.1 我国有节珊瑚藻类群的多样性研究 27 2.3.2 潮间带有节珊瑚藻藻丛的多样性探究 38 2.3.3 有节珊瑚藻室内培养实验 49 2.4 讨论 54 2.4.1 中国有节珊瑚藻的多样性与系统修订 54 2.4.2 有节珊瑚藻藻丛的生态意义与多样性变迁 57 2.4.3 有节珊瑚藻的室内培养与展望 57 2.5 小结 59 第3章 中国附生无节珊瑚藻多样性研究与石叶藻亚科的初步修订 61 3.1 前言 61 3.2 材料与方法 62 3.2.1 样本采集与信息统计 62 3.2.2 核酸提取与序列扩增 62 3.2.3 序列矩阵的构建 62 3.2.4 系统发育分析 65 3.2.5 生物地理分布特征分析 66 3.2.6 形态学分析 66 3.2.7 数据保存 67 3.3 结果 67 3.3.1 中国附生无节珊瑚藻的多样性研究 67 3.3.2 石叶藻亚科的系统发育特征、生物地理分布与分化重建 70 3.3.3 主要附生类群的形态学研究与拟皮藻属(石叶藻亚科)的建立 78 3.4 讨论 85 3.4.1 中国附生无节珊瑚藻的隐存多样性不容忽视 85 3.4.2 附生无节珊瑚藻类群与石叶藻亚科的分类学争议 87 3.4.3 全球尺度的系统发育分析揭示石叶藻属隐存多样性及其地理分布特征 90 3.4.4 石叶藻亚科的类群分化重建与分类地位的界定 92 3.4.5 拟皮藻属的建立及其分类学意义 96 3.5 小结 98 第4章 中国无节珊瑚藻分子系统发育分析与珊瑚藻亚纲物种名录修订 99 4.1 前言 99 4.2 材料与方法 100 4.2.1 样本采集与信息统计 100 4.2.2 核酸提取、序列扩增与系统发育分析 100 4.3 结果与讨论 102 4.3.1 张氏藻亚科(珊瑚藻目)系统发育分析及多样性 102 4.3.2 石叶藻科(珊瑚藻目)系统发育分析及多样性 106 4.3.3 孔石藻科(珊瑚藻目)系统发育分析及多样性 112 4.3.4 水石藻科(珊瑚藻目)系统发育分析及多样性 126 4.3.5 宽珊藻科和似绵藻科(珊瑚藻目)系统发育分析及多样性 129 4.3.6 混石藻目系统发育分析及多样性 133 4.3.7 孢石藻目系统发育分析及多样性 140 4.3.8 中国珊瑚藻亚纲的物种名录修订 144 4.4 小结 155 第5章 结论与展望 157 5.1 研究结论 157 5.2 研究创新 157 5.3 研究展望 158 参考文献 159 附录 179 致谢 213 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果 215 |
文献类型 | 学位论文 |
条目标识符 | http://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/186892 |
专题 | 实验海洋生物学重点实验室 |
推荐引用方式 GB/T 7714 | 闫舒恒. 中国近海珊瑚藻(红藻门:珊瑚藻亚纲)分子系统学与多样性研究[D]. 中国科学院海洋研究所. 中国科学院大学,2024. |
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闫舒恒.pdf(128674KB) | 学位论文 | 限制开放 | CC BY-NC-SA | 浏览 |
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