روند تکامل صفات ریخت‌شناسی گونه‌های Astragalus dictyolobus و A. tawilicus و A. victoriae بر اساس تبارزایی داده‌های حاصل از توالی کلروپلاستی matK

جنس گون Astragalus L. متعلق به تیره Fabaceae و زیرتیره Papilionoideae و کلاد فاقد توالی تکراری معکوس (IRLC, Inverted Repeat Lacking Clade) بزرگترین جنس گیاه آوندی روی کره زمین شناخته شده و دارای حدود 3000 گونه و 245 بخشه است. بیشترین تنوع این جنس در آسیای جنوب شرقی و آسیای مرکزی بوده و ایران به تنهایی با بیش از 850 گونه یکی از مهم‌ترین مراکز تنوع این جنس است (Lock and Simpson, 1991؛ Podlech, 1999؛ Maassoumi, 1998, 2003؛ Lock and Schrier, 2005؛ Chaudhary et al., 2008؛ Asgari Nematian et al., 2010؛ Ranjbar et al., 2010).

جنس Astragalusعموماً در نواحی کوهستانی خشک و نیمه‌خشک نیمکره شمالی و آمریکای جنوبی رویش دارد (Polhill, 1981). این جنس در ایران دارای 70 بخشه است که پنج بخشه آن انحصاری ایران است (Maassoumi, 1986, 2005). یکی از بخشه‌های این جنس Alopecuroidei DC. است. این بخشه با دارا بودن 50 گونه، پراکنش وسیعی در ایران، ترکیه و روسیه دارد Goncharov et al., 1965)؛ Chamberlain and Matthews, 1970؛ Becht, 1978؛ Maassoumi, 1995, 1998, 2005؛ (Podlech, 1999. از این بخشه 27 گونه در ایران وجود دارد که 16 گونه بوم‌زاد است
Maassoumi and Ranjbar, 1996)؛ Maassoumi, 1998, 2003, 2005؛ Podlech, 1999؛ Ranjbar and Karamian, 2003).

این بخشه شامل گیاهانی چند ساله، علفی با قاعده چوبی، دارای گوشوارک سرنیزه‌ای گاهی پهن، غشایی یا علفی، در قاعده اندکی چسبیده به دمبرگ، جدا از یکدیگر، بدون کُرک، کُرک‌دار یا در حاشیه مژک‌دار است. گل‌آذین سر سان، کروی، بیضوی کشیده یا دم روباهی، کاسه لوله‌ای یا استکانی پوشیده از کُرک‌های بلند، در ابتدا با تورم کم، پس از میوه کاملاً متورم، است. جام زرد، میوه شبه تخم‌مرغی و دو حجره‌ای که کاسه را می‌شکافد Podlech, 1999)؛ (Maassoumi, 2003.

سه گونه Astragalus dictyolobus، A. tawilicus و A. phlomoides که قبلاً جزو بخشه Alopecuroidei به شمار می‌رفتند، در سال 1977 توسط Agerer-Kirchhoff و Agerer به بخشه جدید Laxiflori (لکتوتیپ: A. dictyolobus) منتقل شدند که اختلاف آنها با بخشه Alopecuroidei در کشیده و تُنُک بودن گل‌آذین است. به دنبال آن، در سال 1999 بخشه Laxifloriتوسط Podlech در فلورا ایرانیکا پذیرفته شد. Ranjbar و همکاران (2002) به دلیل عدم کفایت ویژگی‌های ریخت‌شناسی، A. phlomoides را از بخشه Laxifloriبه بخشه Alopecuroidei منتقل کردند. آنها معتقد بودند که وجود گل‌آذین متراکم در
A. phlomoides این گونه را به بخشه Alopecuroidei نزدیک می‌کند. Maassoumi (2003) انتقال این گونه را به Alopecuroidei پذیرفت. از نظر پراکندگی جغرافیایی بخشه Laxiflori متعلق به ناحیه ایرانی-تورانی است. گونه A. dictyolobusانحصاری ایران است و A. tawilicus در ایران و عراق رویش دارد (Maassoumi, 2003).

بخشه Christianophysa Podl. and Kirch.با گونه A. victoriae (مترادف با A. matthewsiae Agerer-Kirchhoff and Podlech) معرفی شد. این گونه بوم‌زاد ترکیه است. دارای گوشوارک‌های غشایی که آزاد است اما در قسمت قاعده به یکدیگر پیوستگی دارند. کاسه در زمان میوه‌دهی متورم، جام گل بدون کُرک، گل‌آذین سر سان، خوشه‌ای و نامتراکم، بدون دمگل‌آذین و نیام دو حجره‌ای است (Agerer-Kirchhoff and Podlech, 1974).

روابط فیلوژنتیک بین گون‌های دنیای قدیم بر اساس توالی‎ هسته‌ای ITS و ژن کلروپلاستی ndhF توسط Kazempour Osaloo و همکاران (2003 و 2005) بررسی شده است. در بین گونه‌های مطالعه شده، تنها 4 گونه از بخشه Alopecoruidei بررسی شده و بیانگر این است که این بخشه پارافیلتیک بوده و ارتباطش با بخشه‌های خویشاوندمشخص نشده است. مطالعه Javanmardi و همکاران (a2012) در مورد بخشه Alopecuroidei بر اساس ترکیبی از صفات ریخت‌شناسی و داده‌های حاصل از توالی هسته‌ای ITS نشان داد که گروه‌های گونه‌ای که قبلاً توسط Maassoumi (1995) ارایه شده بود، فقط گروه گونه‌ای Kirrindicus و Turbinatus تک‌تبار هستند. مطالعات Javanmardi و همکاران (b2012) پیرامون بخشه Alopecuroideو خویشاوندانش بر اساس توالی هسته‌ای ITS و سه توالی کلروپلاستی matK، trnH-psbA و trnT-trnY تأیید کرد که این بخشه تک‌تبار نیست و بخشه Laxifloriبا دو گونه A. dictyolobus وA. tawilicus و همچنین بخشه Christianophysa با تک گونه A. victoriae بایستی در بخشه Alopecuroidei ادغام شود. با توجه به این که داده‌های مولکولی بیانگر این است که گونه‌های
A. dictyolobus و A. tawilicus و A. victoriae در بخشه Alopecuroidieقرار می‌گیرند، اما انطباق آن با داده‌های ریخت‌شناسی هنوز بررسی نشده است.

در پژوهش حاضر، به منظور بررسی انطباق صفات ریخت‌شناسی گونه‌های A. dictyolobus، A. tawilicus و A. victoriae با سایر گونه‌های بخشه Alopecuroidei داده‌های حاصل از تبارزایی توالی کلروپلاستی matk استفاده شده است. matk یک ژن کلروپلاستی است که بخشی از اینترون trnK است و حدود 1500 جفت باز طول دارد (Neuhaus and Link, 1987). این ژن، در مقایسه با سایر ژن‌های پلاستیدی دارای روند تکاملی سریعتری در بین گیاهان خشکی است. از ژن matK به دلیل سرعت جایگزینی بالا می‌توان برای رده‌بندی در سطوح پایین از جمله روابط بین گونه‌ها استفاده کرد. ژن پلاستیدی matK در پژوهش‌های متعدد در مورد زیرگروه‌های Papilionoideae برای حل روابط بین گونه‌های خویشاوند نزدیک، نتایج بسیار خوبی داده است
Hu et al., 2000)؛ Steele and Wojciechowski, 2003؛ (Wojciechowski et al., 2004.

در پژوهش حاضر، 12 صفت رویشی و زایشی که میزان جورگرایی کمتری نشان داده و در رده‌بندی‌های پیشین بخشه Alopecuroidei و خویشاوندانش مورد تأکید بودند Goncharov et al., 1965)؛ Maassoumi, 1995؛ (Ranjbar et al., 2002، انتخاب شدند. حالت‌های مختلف این صفات ریخت‌شناسی در قالب تبارزایی داده‌های حاصل از توالی کلروپلاستی matK بررسی شد. با توجه به این که گونه‌هایA. dictyolobus و A. tawilicus و
A. victoriae قبلاً بر اساس چند ویژگی ریخت‌شناسی در بخشه‌های دیگر (Laxiflori و Christianophysa) قرار گرفته بودند و سپس بر اساس داده‌های مولکولی به بخشه Alopecuroidei منتقل شدند، ضرورت بررسی روند تکاملی صفات مذکور در چارچوب فیلوژنی مولکولی مشخص می‌شود. هدف از پژوهش حاضر، بررسی روند تکامل صفات ریخت‌شناسی گونه‌هایA. dictyolobus و A. tawilicus و
A. victoriae با سایر گونه‌های بخشه Alopecuroidei در چارچوب فیلوژنی مولکولی است که تا به امروز بررسی نشده است.

مواد و روش‌ها.

در مطالعه حاضر، فیلوژنی 25 گونه از بخشه Alopecuroidei بر اساس داده‌های حاصل از صفات ریخت‌شناسی بررسی و تحلیل شد. بر اساس مطالعات Kazempour Osaloo و همکاران (2003 و 2005)، دو گونه A. basineri و A. sieversianus متعلق به بخشه Astragalus به عنوان برون‌گروه انتخاب و استفاده شدند. پس از انجام مطالعات ریخت‌شناسی، 12 صفت انتخاب شد و حالت‌های مختلف این صفات به دست آمد (جدول 1). حالت‌های مختلف صفات رویشی و زایشی در مورد گونه A. victoriaeبا بررسینمونه هرباریومی دانشگاه مونیخ و با استفاده از فلور ترکیه (Chamberlain and Matthews, 1970) و مقالات مرتبط (Agerer-Kirchhoff and Podlech, 1974) انجام شد و در مورد گونه‌هایA. dictyolobus، A. tawilicus و سایر گونه‌های بخشه Alopecuroidei بر اساس مطالعات انجام شده روی نمونه‌های هرباریومی (مؤسسه تحقیقات جنگل‌ها و مراتع کشور)، فلور روسیه (Goncharov et al., 1965)، گون‌های ایران (Maassoumi, 1995)، فلورا ایرانیکا (Podlech, 1999)، فلور ایران (Maassoumi, 2003) و مقالات مرتبط Ranjbar et al., 2002)؛ Ranjbar and Karamian, 2003) به دست آمد.

جدول 1- صفات و حالت‌های صفات بررسی شده در بررسی روند تکامل صفات

حالت‌های صفات با ارزش‌گذاری عددی به صورت نامرتب (تغییر از حالتی به حالت دیگر یک گام است :unordered) کدگذاری شد. ارزش‌های داده شده به حالت‌های مختلف صفات، هیچ گونه برتری نسبت به یکدیگر نداشته و نیایی یا پیشرفته بودن آنها تنها پس از مکان‌نگاری در قالب تبارزایی مشخص می‌شود. قطبیت صفات با استفاده از روش برون‌گروه تعیین شد (Maddison et al., 1984). حالت‌های صفات استفاده شده و کدهای مربوط در جدول 1 و ماتریس داده‌های ریخت‌شناسی در جدول 2 آورده شده است. بازسازی روابط فیلوژنی داده‌های توالی کلروپلاستی matK بر اساس روش Maximum Parsimony در نرم‌افزار PAUP* 4.b10 (Swofford, 2002) و روش Bayesian در نرم‌افزار MrBayes نسخه 2/1/3 (Ronquist and Huelsenbeck, 2003) انجام شد. مدل تکاملی با استفاده از برنامه MrModeltest نسخه 3/2 (Nylander, 2004)، اجرا شده در MrMTgui (Nuin, 2005) بر اساس معیار اطلاعاتی (AIC) Akaike (Posada and Buckley, 2004) انتخاب شد. بر اساس این تحلیل، داده‌های حاصل از ژن کلروپلاستی matK با استفاده از مدل GTR+G بررسی شدند. سپس با استفاده از نرم‌افزار Mesquite نسخه 74/2 ماتریس داده‌های ریخت‌شناسی بر درخت حاصل از داده‌های مولکولی مکان‌نگاری گردید (Maddison and Maddison, 2010).

جدول 2- ماتریس صفات مورد استفاده در بررسی روند تکامل صفات a={01}

نتایج

تحلیل 12 صفت مورد بررسی برای بخشه Alopecuroidei انجام شد. در جدول 3 مقادیر شاخص‌های آماری CI (شاخص سازگاری یا consistency index) و RI (شاخص پایداری یا retention index)، نوع، حالت و تعداد تغییرات برای هر صفت آورده شده است (شماره هر صفت مربوط به جدول 1 است). از میان 12 صفت ریخت‌شناسی، شش صفت که جورگرایی کمتری را نشان می‌دهد، انتخاب و روند تکامل صفات در آنها بررسی شد.

از میان صفات مطالعه شده، تنها صفت وجود براکتئول (صفت 11) هیچگونه یکنواختی نشان نمی‌دهد. پس از آن، بالاترین میزان CI مربوط به صفات وضعیت میوه داخل کاسه (صفت 1)، وجود دمگل‌آذین (صفت 5) و شکل تخمدان (صفت 12) است، که در آنها CI برابر با 5/0 است. سپس، صفت تراکم گل‌آذین (صفت 4) جورگرایی کمتری را نسبت به سایر صفات نشان می‌دهد که در آن CI برابر با 33/0 است. کمترین میزان CI برابر با 11/0 و مربوط به صفت شکل کاسه در زمان گل‌دهی (صفت 9) است. روند تکامل صفات در مورد شش صفت که جورگرایی کمتری نشان می‌دهند، مورد بحث قرار می‌گیرد.

.جدول 3- شاخص‌های آماری، نوع، حالت و تعداد تغییرات برای .هر صفت ریخت‌شناسی مکان‌نگاری شده در باصرفه‌ترین درخت .حاصل از تحلیل داده‌های cpDNA matK

شکل 1 صفت وضعیت میوه داخل کاسه (صفت 1) را نشان می‌دهد. خروج نیام از کاسه یا شکافتن کاسه در زمان میوه‌دهی، صفتی نیایی است که در اغلب تاکسون‌های مورد مطالعه دیده می‌شود. تنها در گونه‌هایA. dictyolobus و A. tawilicus وA. victoriae این وضعیت به شکل باقی ماندن نیام در کاسه در زمان میوه‌دهی تکامل می‌یابد.

شکل 2 روند تکامل صفت شکل گل‌آذین (صفت 3) را نشان می‌دهد. استوانه‌ای بودن گل‌آذین، وضعیت ابتدایی در گونه‌های مورد مطالعه است. کروی یا تخم‌مرغی بودن گل‌آذین حالت پیشرفته صفت است. در گونه‌های A. alopecias، A. alopecurus،
A. dictyolobus، A. tawilicus وA. victoriaeگل‌آذین استوانه‌ای است.

شکل 3 روند تکامل صفت تراکم گل‌آذین (صفت 4) را نشان می‌دهد. تُنُک بودن گل‌آذین صفتی نیایی است که در اغلب گونه‌های بخشه Alopecuroidei به شکل پیشرفته گل‌آذین متراکم تکامل یافته است. بازگشت به حالت ابتدایی در سه گونه A. dictyolobus، A. tawilicus و A. victoriae دیده می‌شود.

صفت وجود دمگل‌آذین (صفت 5) در شکل 4 نشان داده شده است. فقدان دمگل‌آذین در بین گونه‌های مطالعه شده، حالتی نیایی است که به وضعیت دارای دمگل‌آذین تکامل می‌یابد. گونه‌های A. alopecias و
A. victoriae حالت نیایی یعنی فقدان دمگل‌آذین را نشان می‌دهند.

شکل 5 روند تکامل صفت وجود براکتئول (صفت 11) را نشان می‌دهد. در بین گونه‌های مطالعه شده، فقدان براکتئول، صفتی نیایی است. این وضعیت در گونه‌های
A. echinops، A. kirrindicus، A. meridionalis و
A. obtusifolius به صورت دارای براکتئول تکامل یافته است.

روند تکامل صفت شکل تخمدان (صفت 12) در شکل 6 نشان داده شده است. تخمدان تخم‌مرغی درگونه‌های مطالعه شده، وضعیت نیایی را نشان می‌دهد. تغییر از وضعیت تخمدان تخم‌مرغی به تخمدان دوکی، در گونه A. victoriaeو تبار نزدیک به آن که متشکل از 9 گونه (A. alopecurus، A. dictyolobus،A. foliosus، A. hamadanus، A. hymenocalyx،A. ponticus،
A. saetiger، A. speciosus،A. tawilicus) است، مشاهده می‌شود.