中国特有植物地涌金莲的保护生物学研究

摘要

地涌金莲是芭蕉科多年生大型丛生草本，具有很高的观赏和经济价值，为我国特有种，主要分布在我国西南地区。许多学者认为其野生种群并不存在，我们通过野外调查发现了野生种群，但生境和规模正面临迅速缩减的挑战。鉴于地涌金莲野生资源的日益缩减，本文以保护生物学为指导思想，通过对野生资源的种群数量、分布特征、谱系地理学、单（低）拷贝核基因的系统进化、濒危情况与等级的分析和保护策略的提出这一系列研究，揭示了地涌金莲野生种群的分布、系统发育、分子进化及进化过程中经历过的历史事件、单（低）拷贝核基因在地涌金莲系统进化中的作用，并综合致濒原因，划分ESU保护单元，提出可行的保护策略。
　　具体得到以下结论:
　　1.种群个体数量和分布特征方面
　　对云南、四川两省69个市县所做的调查中，有9个县存在野生地涌金莲资源。经统计，9个种群的地涌金莲共有丛数1011丛，株数2607株;种群规模普遍很小，种群内的个体数量有限，最少的一个种群只有54丛地涌金莲，而且密度稀疏，丛与丛之间的距离较大;地涌金莲野生资源生境比较恶劣，9个种群中有8个种群生长坡度大于50°，有的种群甚至生长在近乎垂直的山崖上;种子存在深度休眠现象，长时间的种子休眠和生境的恶劣情况，导致地涌金莲野生种群的分布呈现破碎化。由于人为和牲畜的干扰，抑制了地涌金莲野生种群个体向外扩散的能力;由此可见，地涌金莲野生种群的杂合体多产于种群内部，在短期内，不同种群间依靠自然授粉、自然杂交所产生的种群间杂合体难度较大，这也是地涌金莲野生资源数量和规模在不断缩小的一个重要原因。在民间走访调查后得知，有些地点的地涌金莲在30年前就已经灭亡，现在也有部分种群的地涌金莲数量正在逐渐衰减。
　　2.谱系地理学方面
　　实验以9个地涌金莲野生种群127个个体为材料，对psbA-trnH，trnL-F和rpl16三个叶绿体基因片段进行扩增。结果分析得到10个单倍型(Hap_1～10)，单倍型多样性指数Hd=0.878，分析显示种群间遗传变异为97.62％，种群内变异为2.38％;9个地涌金莲野生种群间的基因交流很弱Nm=0.02，种群间遗传分化水平较高GST=0.940，且NST＞ GST，种群间的遗传变异远远大于种群内的，且存在着地理谱系结构;失配分析的结果说明了，地涌金莲野生种群在近期内无种群扩张或瓶颈效应情况的发生;系统发育树和亲缘关系网络图，均将9个种群划分成两大分支，这两大分支在地理上具有明显的地理隔离;根据野生种群的分化时间分析，9个种群分成两大分支，分化时间为4.4533Mya，属于第三纪上新世时期，攀枝花盐边种群和丽江温泉种群以及丽江金江种群的分化时间相对较早，为第四纪更新世。综合结果推断，地涌金莲野生种群的起源地点在金沙江丽江段并靠近攀枝花盐边一带。造成分化的原因是由于青藏高原隆起，横断山脉形成的造山运动以及古地中海西撤所造成的;而古红河水系改道及其支流的袭夺作用是造成现在地涌金莲野生种群生境破碎化的主要原因。
　　3.单（低）拷贝核基因方面
　　研究采用ITS和CHIX基因片段对地涌金莲9个野生种群127个个体进行了全序列测定。结果显示，ITS在地涌金莲个体中存在致同进化现象，不能作为地涌金莲系统发育的研究手段。CHIX片段的长度为683bp;共得到11种单倍型，通过单倍型多样性分析得出，总的单倍型多样性指数Hd=0.982，核苷酸多样性指数Pl=0.08193;通过基因流和遗传分化的分析，得到地涌金莲野生种群间的平均基因流Nm=0.32，说明野生种群间的基因交流不频繁;种群内平均遗传多样性HS=0.159，总遗传多样性HT=0.973，种群间遗传分化系数GST=0.845，NST=0.956，种群间的遗传分化水平很高，NST＞GST，说明地涌金莲的野生种群存在着地理谱系结构;中性检验说明了造成地涌金莲野生种群现如今分布格局的原因可能是造山运动而引起的地理隔离造成的。这与cpDNA的分析结果相同。
　　4.ESU的划分和濒危等级评价
　　结合实际濒危特征，对地涌金莲野生种群的数量、花（苞片）色、遗传多样性等情况进行了综合考虑。根据种群特征和遗传多样性情况得到的相关结果，建议将地涌金莲野生种群划分为濒危(EN)或易危(VU)等级;初步确定了9个野生种群中需要优先保护的种群，以及3个ESU保护单元。
　　5.致濒因子的分析和保护策略的提出
　　地涌金莲的濒危现状明显，生境恶劣且呈破碎化，分布区域狭窄，种群规模萎缩，个体数量少等情况严重;而种子存在深度休眠，种群间的遗传多样性水平较高，基因交流弱，这些都是造成地涌金莲野生种群持续缩减的重要原因。通过对地涌金莲野生资源的调查发现，致使地涌金莲野生种群存在濒危的致濒因子由内外两方面构成，内因主要是由于其自身种子、遗传多样性、种群扩散及自然更新能力等因素的影响;外因主要是由于生存环境、人为和牲畜、气候变化等一系列的干扰所造成的。通过具体分析得到结论，对保护措施提出了初步的设想，迁地保护和回归引种这两种方式是比较适合现阶段地涌金莲野生种群资源的有效保护措施。

目录

摘要

1 绪论

1．1 观赏花卉的研究现状

1．1．1 我国观赏花卉的研究进展和不足

1．1．2 云南作为观赏花卉基地优势明显

1．2 保护生物学研究概况

1．2．1 物种生物学研究与物种保护单元的确定

1．2．2 濒危植物野生种群保护的研究方法和现状

1．3 濒危物种的等级划分

1．4 本文的研究对象——我国特有植物地涌金莲的简要概况

1．4．1 地涌金莲的研究进展

1．4．2 本研究的目的和意义

2 种群数量和分布特征的研究

2．1 引言

2．2 调查的对象和方法

2．3 调查的结果

2．3．1 种群分布的调查结果

2．3．2 种群内个体数量的调查结果

2．4 结论与讨论

2．4．1 地涌金莲野生种群的分布

2．4．2 地涌金莲野生种群个体数量

2．4．3 野生种群分布格局

2．5 本章小结

3 地涌金莲野生种群谱系地理学研究

3．1 植物谱系地理学研究中基因组序列应用概况

3．2 材料和方法

3．2．1 研究材料

3．2．2 主要溶液的配置

3．2．3 DNA的提取

3．2．4 DNA的检测

3．2．5 PCR扩增

3．2．6 序列测定

3．2．7 数据分析

3．3 结果

3．3．1 序列及变异

3．3．2 单倍型多样性指数、遗传结构和失配分析

3．3．3 系统进化树的建立及亲缘关系

3．3．4 野生种群分化时间的计算

3．4 讨论

3．5 本章小结

4 单拷贝核基因在地涌金莲系统进化中的研究

4．1 引言

4．1．1 基于ITS基因序列对地涌金莲系统进化的研究

4．1．2 单拷贝核基因在系统发育中的作用

4．2 材料和方法

4．3 结果和分析

4．3．1 序列及变异

4．3．2 单倍型多样性指数、遗传结构和失配分析

4．3．3 系统进化树的建立及亲缘关系

4．4 讨论

4．5 本章小结

5 致濒因子的初步探讨和保护策略的提出

5．1 地涌金莲野生种群濒危的现状

5．1．1 生境破碎化严重

5．1．2 种群空间和年龄结构呈现弱势

5．1．3 种群内遗传多样性水平低

5．1．4 深度休眠和人畜影响制约种群扩张

5．2 致濒因子的分析

5．2．1 内在因素

5．2．2 外在因素

5．3 濒危等级的划分

5．4 保护策略的提出

5．4．1 保护的意义

5．4．2 保护策略

5．5 本章小结

6 结论

6．1 种群数量和分布特征

6．2 谱系地理学

6．3 单拷(低)贝核基因

6．4 濒危机制和保护策略

6．5 总结

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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