特有濒危植物八角莲保护遗传学和分子亲缘地理学

摘要

八角莲(Dysosma versipellis Hance M.Cheng)属小檗科(Berberidaceae)八角莲属植物，为我国特有二级濒危保护植物。本研究通过叶绿体DNA(cpDNA)基因间隔区序列变异、扩增片段长度多态性(Amplified Fragment LengthPolymorphism，AFLP)以及繁育系统的研究，对八角莲群体进化历史、群体遗传结构、遗传多样性水平以及濒危机制进行了探讨，同时，结合种群生态学调查资料，提出了就地保护和迁地保护策略。主要研究结果如下：
　　 1.繁育系统与传粉生物学特点
　　 八角莲花粉胚珠比(P/O)为20933.7±844.89，杂交指数(OCI)值为5。控制传粉实验表明，作为对照的自然条件下的结实率是11.8％，去雄不套袋的结实率是2.2％，不去雄而对整个花序套袋以及人工自花授粉均不产生果实，同株异花传粉的结实率为1.4％，异株异花传粉的结实率62.7％。以上实验表明，八角莲是自交不亲和的专性异花授粉植物，结实依赖传粉昆虫。有效传粉昆虫为长角甲虫(long hombeetle)，其飞行距离较短，不超过两米，访花频率很低(0.086visits/flower/hour)。因此，八角莲不同的克隆或亚群体间缺乏有效的花粉传播，是其结实率低的主要原因，也是造成八角莲濒危的重要因素之一。
　　 2.cpDNA遗传多样性与群体谱系地理结构
　　 筛选了3对cpDNA的基因间隔区片段(trnL-trnF，trnL-ndhJ，trnS-trnfM)，对10个八角莲群体(共107个体)进行序列变异分析。共检测出了33个变异位点，可分辨出24种单倍型。以桃儿七(.Sinopodophyllum hexandrum Ying)和北美足叶草(Podophyllum peltatum L.)作为外类群的最大简约树显示，八角莲24个cpDNA单倍型可分为中东部和西部两个主要的单倍型谱系。八角莲物种水平的核苷酸多样性(π)为0.236×10-3，单倍型多样性(h)为0.394。中东部群体单倍型多样性(h=0.408)和核苷酸多样性(π=0.000264)要高于西部群体(h=0.329，π=0.125×10-3)。Nsr(0.887)显著大于其相应的GST(0.600)，表明了现存的八角莲群体存在明显的谱系地理结构。失配分布(mismatch distribution)分析表明，八角莲西部谱系的避难所群体，没有经历扩张事件，而中东部八角蓬谱系则经历了明显的扩张过程。遗传距离与地理距离的相关性分析表明，八角莲的整个分布区内群体间的遗传距离和地理距离之间没有显著相关性(r=0.145，P=0.1908)，同样，中东部地理组内群体间的遗传距离和地理距离之间也没有显著相关性(r=0.014，P=0.4735)。
　　 3.AFLP遗传多样性与群体遗传结构
　　 筛选了8对AFLP引物组合，对9个八角莲群体(共184个体)的遗传变异进行了分析。8对AFLP引物共扩增出了406条带峰值清晰、可重复、可判读的条带，其中364条(89.66％)为多态性条带。遗传变异水平最高的为西部地区的DJ群体(h=0.1537)，最低的为中东部地区的SX群体(h=0.0379)。对八角莲群体进行AMOVA分子变异分析，结果显示，八角莲群体的遗传变异主要存在于群体间(58.56％)。AMOVA的分层次分析表明，将所有群体分为西部部地区群体、中东部地区群体2个地理组进行进行分子变异分析，一共检测到67.71％的遗传变异，其中37.02％来自于地理组间变异(Fcr=0.370)，低于cpDNA检测到的结果(Fcr=0.307)。UPGMA分析、PCoA分析以及Structure分析表明，西部地区群体和中东部地区群体呈现出两个独立进化的路线。
　　 4.八角莲群体的进化历史及其保护
　　 本研究揭示八角莲群体分化为西部和中东部两个谱系，由于气候变化和地理隔离，阻止了两个谱系分化后的基因交流。中东部群体在谱系分化后发生了群体扩张事件，另外，地理隔离使中东部八角莲群体间发生产生了一定的群体分化。长期的地理隔离可能造成了八角莲谱系间的生殖隔离，八角莲群体西部谱系和中东部谱系可能正处于物种形成进程中的地理种形成的初期。根据群体进化历史和群体遗传结构研究结果，我们提出了相应的保护策略：(1)对八角莲就地保护时，把西部地区和中东部地区群体确定为进化显著单元，对所有群体都进行就地保护，采取策略促进这些群体内的幼苗更新。将同一群体内不同分布点的个体进行人为的移栽换位，加强远距离个体之间的基因交流，提高结实率。(2)在迁地保护、取样以及培育幼苗时，应从所有群体中取样，建立迁地保护园，最大限度地保护八角莲的遗传多样性，同时避免远交衰退。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 前言

1.1保护遗传学

1.2濒危物种的保护遗传学的研究方法

1.2.1简介

1.2.2物种群体遗传变异与遗传结构的检测手段

1.2.3濒危物种就地和迁地保护的取样策略

1.2.4繁育生物学研究在保护遗传学中的应用

1.2.5亲缘地理学在保护遗传学上的应用

1.3八角莲的研究概况

1.3.1物种介绍

1.3.2八角莲研究进展

1.4八角莲研究存在的问题及本研究目的

1.4.1存在的问题

1.4.2本研究的内容、目的和意义

2八角莲野外资源调查及取样

2.1八角莲地理分布

2.2野外调查与取样方法

2.3调查取样结果分析

2.3.1取样的群体和生境

2.3.2资源状况分析

3繁育生物学研究

3.1材料与方法

3.1.1研究地点及生境特点

3.1.2开花进程观察

3.1.3花形态及各花部器官数量性状统计

3.1.4花粉、花柱、柱头形态解剖特点

3.1.5花粉胚珠比(P/O)的统计

3.1.6杂交指数(Outcrossing index，OCI)的确定

3.1.7昆虫访花行为的观察

3.1.8花粉活力测定

3.1.9柱头可授性检测

3.1.10控制传粉实验

3.2结果与分析

3.2.1八角莲花部形态性状及数量性状

3.2.2八角莲开花进程

3.2.3花粉活力与柱头可授期比较

3.2.4访花昆虫种类及访花行为

3.2.5昆虫访花频率

3.2.6八角莲的繁育系统类型

3.3讨论

3.3.1繁育系统类型

3.3.2影响昆虫访花和取食行为的主要因素

3.3.3八角莲有性生殖失败的原因

3.3.4基于繁育系统特点，制定保护策略

4叶绿体基因组DNA(cpDNA)序列分析

4.1材料与方法

4.1.1材料采集

4.1.2方法

4.2结果与分析

4.2.1八角莲序列的特征

4.2.2单倍型分布和群体内遗传多样

4.2.3群体遗传结构和亲缘地理结构分析

4.2.4叶绿体单倍型系统和谱系关系

4.2.5群体历史推测

4.3讨论

4.3.1物种水平cpDNA多样性和群体结构

4.3.2谱系分化与基因流

4.3.3八角莲两个谱系的进化历史

5 AFLP分析

5.1材料与方法

5.1.1材料

5.1.2方法

5.2结果

5.2.1引物筛选

5.2.2遗传多样性

5.2.3群体遗传结构

5.3讨论

5.3.1遗传结构与遗传分化

5.3.2不同进化单元

6八角莲的保护策略

6.1进化显著单元的确定

6.2保护生境及传粉昆虫

6.3就地保护评价及保护建议

6.4迁地保护评价及保护建议

7小结与展望

7.1小结

7.2展望

参考文献

博士期间发表和拟发表的论文