促進物種分化的力量相當多，例如異域分佈、天擇、環境因子及區域性適應 等，然而基因交流在此扮演的角色則相當多元。Wright (1931)就嘗試討論過 gene swamping 一類的議題-當基因交流夠強，而當地特有的環境壓力不夠大時，基因 交流可以將不適應的等位基因(maladaptive allele)帶入當地，相反的，如果當地特 有的環境壓力夠大時，族群依然可以藉由這種天擇力道完成環境互斥天擇 (environmental antagonistic selection)保持住族群內獨有的適應性等位基因，並藉 以完成區域性適應(local adaptation)並維持族群分化(Smith, 1966; Endler, 1977)，
甚至進一步促成種化。這樣的論點雖然發展久遠，但仍然需要一定程度的地理隔 離或是鄰域分佈等地理障礙在。一直到 Wu (2001)提出藉分歧性天擇與基因組結 構(genomic architecture)共同作用，受分歧性天擇的位點及周邊連鎖的區域抵抗基 因組部份區域不會有因基因交流帶來的外來等位基因，而搭便車效應(genome hitchhiking)逐漸擴大這樣區域，基因組的其他基因座也因應生成新的受分歧性天 擇基因座減少物種雜交產生的基因交流，受天擇影響的基因座與週邊區域連鎖，
產生搭便車效應進而持續擴大隔離的區域，最終生殖隔離產生，物種便可在有基 因交流的情況分化而不需有地理隔離的時期。直到基因定序普及化，以及溯祖理 論大量應用在種化議題上，在 isolation-with-migration 的概念就此形成(Wakeley &
Hey, 1998; Hey, 2006; Hey, 2010; Pinho & Hey, 2010) 並開始被大量應用在各式各 樣的物種中，。並開始應用在種化、天擇與基因交流上(cf. Niemiller et al., 2008)。
然而，實際上現生共域的物種並一定是共域種化所致，例如過去分歧歷史曾 有異域分佈或鄰域分佈的時期(cf. Albert B. Phillimore et al., 2008)，又或者在一些 基因交流受限但分佈廣的物種呈現 isolation-by-distance(IBD)來解釋族群的分歧 (Hoelzer et al., 2008)。除此之外，像是連續性的環境變異(例如溫度)也可能限制 了不適應(maladaptative)的遷入者(immigrantion)進而限制了遷移方向(bias
dispersal)造成族群分化，這種稱之為 isolation-by-environment(IBE)，一樣能促進 種化(Wang & Bradburd, 2014)。然而，相鄰的區域常有相似的環境條件，致使環 境因子常與地理因子呈現一定程度的相關性，導致要區別兩者並不容易。因此，
利用現今常利用 regression based analysis 或 ordination analysis 來區別地理和環境
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因子對於族群間或近緣種間分歧的相對重要性來討論物種間的分歧(Lee &
Mitchell-Olds, 2011; Sexton et al., 2014; Huang et al., 2016c)。
1.2 高特有種比例的島嶼例子
地理距離及隔離常是促使島嶼物種異域種化的關鍵，若島嶼上有破碎崎嶇的 地形，也可能賦予島嶼有多樣氣候異質性，促成分歧性天擇(divergent selection)、
區域性適應(local adaptation)或 IBE。而兩者也可能同時促進島嶼的族群分化或加 速物種的種化(Kubota et al., 2014; Kubota et al., 2015)。而且相較大陸而言，小尺 度的地理距離的島嶼因板塊擠壓常產生破碎地形或是海拔高低落差，破碎與海拔 落差大的地形更能加強島上地理隔離及氣候區域性適應的強度，甚至可能加速種 化(cf. Wanderley et al., 2018)。其中，找出可能解釋物種分化的環境因子，可以進 一步了解生態因子如何趨動族群分化甚至到種化-生態種化(ecological
speciation)(Nosil et al., 2009a; Nosil et al., 2009b; Nosil & Feder, 2012)。除此之外，
利用環境因子進行物種生態棲位模擬(ecological niche modeling)可以找出與物種 出現相關的環境因子以外及種間棲位分化外(Gorel et al., 2019; Hu et al., 2019)，
也可以了解種以內不同地區的族群分化由哪些氣候因子主導(Gorel et al., 2019)。
要了解這些議題，大量的遺傳資料、合適的島嶼物種以及齊全的環境資料是必要 的。
台灣是相當適合研究島嶼生物地理、生態種化、IBD/IBE 等相關議題的好地 點。台灣位處熱帶與亞熱帶交界，為大陸型島嶼，在冰河期海平面下降後，大陸 棚形成陸橋，讓台灣周邊陸塊的物種可以遷移至台灣，而冰河期結束後海平面上 升導致陸橋消失，到達台灣的族群旋即與其他族群形成隔離，使得台灣物種來源 多元(Hsieh, 2002)，加以台灣海拔落差非常大，落差可將近 4,000 公尺，小小一 片島嶼溫度落差極大，相當於可以一路由熱帶雨林看到類似寒帶的氣候，因此有 著足夠的氣候異質性，而東亞島弧中又以台灣面積最大，加以中央山脈鎮於島中，
使得東西部台灣有一定程度的地理阻隔，這些指標都有機會加速島內物種跟族群 的分化，這也可能反應台灣特有種比例高的原因(Hsieh, 2002; Hsu & Wolf, 2009;
Jump et al., 2012)。
1.3 研究材料介紹
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其中，黃芩屬是吻合這條件的材料之一。黃芩(Genus Scutellaria)為唇形科黃 芩亞科(Scutellarioideae)植物，全世界約有 350 種，亞洲大陸約百餘種(Li and Hedge 1994)，而台灣產共有八種，其中六種為特有種(台北黃芩[S. taipeiensis]、台灣黃 芩[S. taiwanensis]、田代氏黃芩[S. tashiroi]、布烈氏黃芩[S.playfairi]、南台灣黃芩 [S. austrotaiwanensis]、長葉黃芩[Hsieh (2013)])及兩種非特有種(印度黃芩[S.
indica]、向天盞[S. barbata])。台灣產特有種黃芩屬成員除了長葉黃芩僅見於南投 人倫林道以外，其餘彼此間呈現共域(sympatric)或鄰域(parapatric)分布(表 1-1、
圖 1-1)(Hsieh & Huang, 1995, 1997; Hsieh, 2013)，台灣產黃芩均屬黃芩亞屬 (Scutellarioideae)，過去研究了解黃芩屬底下的分類、染色體數與其地理分佈三者 之間有相當明顯的趨勢，例如 2n=26 均屬黃芩亞屬，而 n=13(2n=26)在東亞及東 南亞也最為常見，並被認為是東亞這帶最基礎的染色體數(basic chromosome number)(Ranjbar & Mahmoudi, 2013)，而台灣產的黃芩不僅形態相似(表 1-1)，染 色體數也均為 2n=26，除暗示這些黃芩親緣關係之近，也排除這類黃芩屬成員以 基因組尺度的重組造成種化的可能性(eg. Polyploidy)，其中，布烈氏黃芩、南台 灣黃芩及田代氏黃芩關係又更為密切，這三者在過去曾被處理為呂宋黃芩(S.
luzonica)底下的變種，外形也極為相似，僅可由田代氏黃芩的花冠筒基部無垂直 折曲而另外兩者有，以及葉柄跟葉片刻痕比例區別布烈氏黃芩及南台灣黃芩 (Yamazaki, 1992; Hsieh & Huang, 1995, 1997)。另外一組則為向天盞與台北黃芩，
區別特徵僅有葉長寬比以及小堅果外衣紋路可供鑑定參照(Huang et al., 2003)。兩 者的整合葉綠體與核基因的分析也極少變異，定年也短於 2 萬年內(Chiang et al., 2012a)，表示他們分歧時間約莫在最末盛冰期時分歧(Last glacial maximum, LGM) 至今，更需謹慎參照整合以了解各項因子貢獻在其快速種化的比例如何。
根據我們過去對黃芩植物的採樣及觀察發現部份分布重疊之種類，在共域棲 地可找到中間型或連續性變異之小型植株(如台東新武呂溪一帶布烈氏黃芩與田 代氏黃芩)，台灣產的黃芩屬雖未有實質報導授粉者是誰，然而已有大量的同屬 其他成員被報導為小型蜂或蠅類(Zhang et al., 2011; Wiesenborn, 2019)，與野外觀 察一致，傳粉者分化的可能性因此不高。暗示生殖隔離不完全或有基因漸滲 (introgression)之可能性，共域或鄰域分布的近緣種中可能因為接觸而產生種間基 因交流，而基因交流容易帶入不適應當地的等位基因，間接削弱分歧性天擇的力
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量，或是藉由帶入其他物種的適應性等位基因加速適應性演化，進而影響種化的 速度(Servedio et al., 2013)，了解這些力量彼此的相關性有助以黃芩作為起點，了 解台灣植物的高特有性與環境之間的關係。
除此之外，由於黃芩屬成員散佈能力有限，種子多以果實開裂時的小堅果彈 出的重力傳播，僅偶發性的洪水可能協助長距離傳播(Williams, 1992)。而傳粉者 多為小型蜂類，飛行能力有限且不具備專一性(Zhang et al., 2011)。再加以黃芩屬 成員多為自交親合且許多成員可以走莖或地下部作無性繁殖，族群內遺傳多樣性 因此大多偏低，最後，黃芩屬成員常被報導有種類/族群有長期使用閉鎖花 (cleistogamy)作為繁殖策略，降低族群內異型合子率，上述這些情形又使得局部 族群常為單一遺傳組成(Sun, 1999)，再加上長期氣候變遷導致地理切割事件 (vicariance)對於黃芩屬的族群/物種分化有一定程度的貢獻，在過去的研究亦發現 台灣產的黃芩分化及偶發性族群擴遷均能對應特定的地質事件(eg. Marine isotope stage, MIS)(Chiang et al., 2012a)。如此說明破碎的地理結構及長遠的氣候 變遷同時作用於台灣產黃芩之分歧。以及黃芩的拓遷對長期氣候變遷之敏感。
圖 1-1 台灣產黃芩物種地理分布簡圖
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1.4 本論文研究議題 在台灣分化(Chiang et al., 2012a)，在有物種間分佈範圍大幅重疊的情況下，地理 因子很難單獨解釋物種的快速分化，再加以台灣氣候異質性高，生態因子作用在 族群分化甚至加速種化的生態分歧或生態種化可能參與於快速種化中。生態種化 最主要的兩個切入層面是：1)分歧過程不必然地理障礙，僅需少數基因受分歧性 天擇影響，故大部分基因座的基因交流依舊順暢，因此使用多基因座分析時，我 們預期會看到一定程度的 historical gene flow。2)生態因子諸如氣候等等可以解釋 遺傳變異或物種分化，這可以用生態棲位模擬、迴歸及相關性分析了解遺傳變異 Hsieh & Huang
是 恒春半島，陡坡或林緣、海拔 400~500m
台灣黃芩 S. taiwanensis Wu 是 台灣東、南部(台東、屏東)
長葉黃芩 S. hsiehii Hsieh 是 台灣中部 (南投)
粗體標示的物種為 indica group 的成員。
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第二章 台灣產近緣黃芩屬植物的分歧及種間基因交流測定