新疆额尔齐斯河流域杨属系统发育和种间关系研究

摘要

本研究从新疆额尔齐斯河流域两岸及河谷共收集杨属黑杨派、白杨派和青杨派等3大组6个种共83份样本单株，首次对新疆额尔齐斯河流域两岸及河谷天然林杨属种间亲缘关系、银灰杨杂种形成机制、额河杨和新疆杨的分类地位问题，从分子水平进行了比较系统的研究和分析，取得了一系列有重要价值的结论。 (1)SSR分析结果表明，额尔齐斯河流域天然杨属分为两大类群，即黑杨派和青杨派为一类，白杨派为一类，表明黑杨派和青杨派的亲缘关系比较近，而白杨派则较远。聚类分析显示，来自不同地理生境的苦杨种群其遗传结构差异比较显著，但同一种群内其遗传比较接近。由于额河杨与欧洲黑杨位于同一个大的分支，与苦杨有显著的差异，因此把杂种额河杨放到黑杨派是正确的，同时也表明杂种额河杨具有更多的欧洲黑杨的成分。 (2)银白杨种内相似系数为0.70-0.96，欧洲山杨为0.68-0.96，银灰杨为0.50-1.00，表明白杨派三个树种内部均有不同程度的遗传分化，特别是银灰杨更大，来自不同地点的银灰杨种群遗传差异较大的，但种群内分化相对较小。 (3)研究表明，在欧洲山杨分布区未发现有银灰杨种群的存在，这就暗示了银白杨和欧洲山杨的杂交方式，基因渐渗是通过欧洲山杨花粉的传播优先于从银白杨到欧洲山杨。另一种可能是从银白杨向山杨的花粉传播存在某种障碍，如花期不遇等(因二者分布的海拔不同)。研究发现，欧洲山杨的2个单株样本(大东沟H11、哈巴河H41)在总体聚类中，与来自玛拉斯林场基因库的银白杨E11同源性比较高，而与原山杨种群(H12、H41、H42、H43)的遗传差异比较大，这暗示山杨也可能存在接受银白杨花粉的可能。 (4)关于银灰杨的形成机制，在对第1次采集的样本进行SSR结果分析时，由于来自布尔津的种群G11♀和G12♀与山杨位于同一个聚类分支，因此推测银白杨和欧洲山杨基因渗透的方式与欧洲的方式可能不同，存在银白杨向山杨的基因渗透。由于山杨分布区并没有银灰杨与山杨相伴分布的现象，因此要解释布尔津类群的G11♀和G12♀形成的机制，一种可能是在早期地质时期，现在银灰杨分布的区域，银灰杨与山杨和银白杨共同生长在同一区域，只是随着阿尔泰山脉的隆起，造成了今天白杨组内种的分布格局。进一步推测是来自布尔津类群的G11♀和G12♀形成的年代可能远远早于北屯类群的G2♂和G3♂，它们可能均是早期杂种的克隆繁殖后代。基于这一点，进一步推测来自北屯的哈拉希里克种群(G30♀、G31♀)和西柏渡种群(G32♂、G33♂)均可能都是早期杂种的克隆后代。同样，对于欧洲山杨的2个单株样本(大东沟H11、哈巴河H41)也可以推测是早期山杨的克隆后代。 (5)SSR分析表明，来自不同地点的新疆杨样本单株仅与银白杨聚类在一个大的类群中，遗传相似系数在0.80-1.00之间，高度同源，说明新疆杨与银白杨有更近的亲缘关系。研究中发现，银灰杨杂种和新疆杨的鉴定，可以用引物GCPM1255来确定。所有的银灰杨41个单株样本均具有两条带型，其中一条是银白杨(5个样本单株)所特有，而另一条是欧洲山杨(8个样本单株)所特有，因此可以确定银灰杨混合的等位基因来自每一个双亲物种，这从另一个方面证明银灰杨的确是欧洲山杨和银白杨的天然杂种。关于新疆杨，由于具有与银白杨相同的带谱，所以可以确定新疆杨是银白杨的天然变种。 (6)新疆杨、银白杨和欧洲山杨的cpDNA间隔区片段序列长度为950-1050bp。发生碱基置换的位点有142个，占序列比较长度14.9％，缺失的位点有15个，占序列比较长度1.6％，总体具有进化意义的位点共157个，占序列比较长度的16.5％。聚类分析表明，新疆杨、银白杨和欧洲山杨样本单株分为2个独立类群，同一类群cpDNA高度同源。欧洲山杨内部，阿尔泰大东沟的2个山杨种群(H22♀和H21♀，H11♂和H12♂)的遗传距离均为0，没有变异发生。哈巴河俄得克的4个独立斑块种群(H41♀、H42♀、H43♂、H44♂)内部遗传相似系数也在99.6％以上，只有很小的变异存在。但是不同的是来自两个地理位置不同的种群cpDNA的差异是非常大，同源性不到40％，一种解释就是cpDNA的系统关系与地理分布密切相关，也即cpDNA的差异是地理隔离造成的，另一种可能就是不同山杨类群cpDNA的起源也可能不同。 (7)新疆杨内部遗传距离在0-0.006之间，高度同源，但来自玛纳斯林场基因库中的新疆杨样本J1则与J6、J5、J3、J21、J22、J41和J42样本同源性比较低，遗传距离比较大，为0.653-0.657，很明显内蒙古、北京、甘肃等地的新疆杨样本cpDNA非常稳定。关于J1在基因库中被标注为光皮新疆杨类型，我们推测J1可能是新疆杨和银白杨的杂种子代或子代的克隆后代。 (8)聚类分析表明，银灰杨样本单株分为2个独立类群，第Ⅰ类群只有G2和G11两个样本单株，第Ⅱ类群有39个样本单株，类群内cpDNA完全同源，但两大类群的遗传距离为0.621-0.638，差异较大。G2是北屯林场播种苗，是银灰杨G30和G31种群的子代苗，由于G30、G31是一个独立斑块种群，周围相当范围内的银灰杨和其他种群比较少，因此杂种子代很可能是银灰杨和银白杨的回交杂种。如果考虑是母系遗传，那么G2的cpDNA应该和G30和G31相同，实际二者完全不同，因此我们推测银灰杨的cpDNA可能是父系遗传。当然这一结论同样需要进一步的控制杂交实验来证明。同样可以推测G11是银灰杨与银白杨的回交后代，而其他样本则可能均是银白杨和山杨早期杂种子代的克隆后代。 (9)由于长期基因的交流，黑杨派和青杨派的cpDNA比较复杂。研究中发现，B5和B3是B21(黑杨)母树的子代，在SSR分析中为B5为黑杨，B3为额河杨，可见典型黑杨B21的杂种后代发生了分离。有趣的是B3、B5和F12与苦杨C21、F23、C11、F13的cpDNA高度同源，而子代B5、B3的cpDNA与母本(B21)同源性比较低，发生了巨大的变异。如果从cpDNA母系遗传的角度考虑，一种可能是B21是上一代苦杨(母本)的杂种分离后代，因此他的后代cpDNA只能是与苦杨高度同源。但矛盾和难以解释的是B21cpDNA与苦杨完全不同，而是典型黑杨的cpDNA。因此，我们推测黑杨与苦杨之间cpDNA遗传可能不是母系遗传，那么也许是父系遗传或者双亲遗传。如果是双亲遗传，那么应该出现cpDNA的中间类型，但是整个黑杨、苦杨、额河杨cpDNA仅分为两大类群，但过度类型不存在，基于这一点，我们大胆推测，黑杨与苦杨之间cpDNA的遗传是父系遗传。当然这只是推测，黑杨和苦杨杂交过程中cpDNA的遗传方式还需要进一步做杂交实验来确认。 (10)总体样本cpDNA明显分为两大类群，其中欧洲山杨、银白杨与欧洲黑杨叶绿体基因片段的同源性非常高，但苦杨cpDNA似乎与欧洲山杨、银白杨与欧洲黑杨有所不同。这暗示白杨派、黑杨派和青杨派的cpDNA起源可能不是单一的。

目录

文摘

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1前言

2额尔齐斯河流域杨属天然林种间关系的研究

3额尔齐斯河流域白杨派内部种间亲缘关系的研究

4结论及建议

参考文献

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