林业科学  2009, Vol. 45 Issue (9): 60-65   PDF    
0

文章信息

谢一青, 黄儒珠, 李志真, 黄勇, 杨宗武.
Xie Yiqing, Huang Ruzhu, Li Zhizhen, Huang Yong, Yang Zongwu
福建光皮桦野生种群遗传变异及其与生境的关系
Genetic Variation of Natural Populations of Betula luminifera in Fujian and Its Relationship with the Habitat
林业科学, 2009, 45(9): 60-65.
Scientia Silvae Sinicae, 2009, 45(9): 60-65.

文章历史

收稿日期:2008-07-23

作者相关文章

谢一青
黄儒珠
李志真
黄勇
杨宗武

福建光皮桦野生种群遗传变异及其与生境的关系
谢一青1,2, 黄儒珠3, 李志真1, 黄勇1,2, 杨宗武1     
1. 福建省林业科学研究院 福州 350012;
2. 中国林业科学研究院研究生院 北京 100091;
3. 福建师范大学生命科学学院 福州 350007
摘要: 采用表型性状测定结合RAPD标记,研究福建境内8个光皮桦野生种群的遗传变异,探讨遗传变异与环境因子间的相关性。结果表明:光皮桦野生种群在DNA和表型水平上的遗传变异基本一致,即约2/3的变异存在于种群内,1/3存在于种群间;叶、果序和种子3类性状的变异系数(CV)分别为0.063 2,0.070 6和0.069 3,各类性状的形状指数(长宽比)的变异系数均比单个性状小;种群平均多态位点百分比(PPL)、Nei's基因多样性(h)和Shannon信息指数(I)分别为65.27%,0.246 1和0.362 8。相关分析表明:表型性状间及其与经纬度、年均温、年日照时数、海拔及有机质等环境因子间存在显著或极显著相关,与各环境因子相关的主要表型性状有叶长宽比、侧脉数、叶基角、种翅宽、种子千粒质量和果序长宽比等;PPL,hI与年日照时数呈显著相关,与经纬度、年降水量呈负相关;种群间的遗传距离与地理距离相关不显著,而与年均温分异显著相关。
关键词:光皮桦    遗传变异    表型变异    RAPD    生境    
Genetic Variation of Natural Populations of Betula luminifera in Fujian and Its Relationship with the Habitat
Xie Yiqing1,2, Huang Ruzhu3, Li Zhizhen1, Huang Yong1,2, Yang Zongwu1    
1. Fujian Academy of Forestry Fuzhou 350012;
2. Graduate School of Chinese Academy of Forestry Beijing 100091;
3. College of Life Science, Fujian Normal University Fuzhou 350007
Abstract: Genetic variation was evaluated using phenotypic traits and RAPD markers in 8 natural populations of Betula luminifera from Fujian Province, China. The relationship between genetic variation and environmental factors was also examined. It was showed that the genetic variation of B. luminifera revealed by RAPD markers coincided well with those by phenotypic traits, and about 2/3 of the total genetic variation distributed within population while 1/3 among populations. The mean coefficient of variation (CV) of phenotypic traits of leaf, infructescence and seed was 0.063 2, 0.070 6 and 0.069 3, respectively. The CV of morphological index of leaf, infructescence and seed was much lower than those of other traits. The percentage of polymorphic loci (PPL), Nei's gene diversity (h) and Shannon informative index (I) at mean population level were 65.27%, 0.246 1 and 0.362 8, respectively. The correlation analysis showed that there existed significant correlations between 15 phenotypic traits and environmental factors. The main phenotypic traits which were related with environmental factors, were leaf length/width, number of lateral vein, the angle of leaf base, seed wing width, weight of 1 000 seeds and infructescence length/width. The PPL, h and I were also significantly positively correlated with annual sunshine hours, negatively correlated with latitude/longitude and annual precipitation. The genetic distance between these populations (GD) was significantly correlated with their divergence of annual average temperature, howevernot with their geographic distance.
Key words: Betula luminifera    genetic variation    phenotypic variation    RAPD    habitat    

光皮桦(Betula luminifera),又名亮叶桦,为亚热带中部桦木属的代表种,广泛分布于秦岭、淮河流域以南各省区,垂直分布于低山、中山区海拔250~2 900 m的向阳坡地,其中海拔700~1 200 m是光皮桦的集中分布区(郑万钧,1985)。光皮桦性喜光,喜温暖湿润气候及肥沃酸性土壤,常散生于山坡林缘及林中空地,具生长快、适应能力强、材质优异、用途广、落叶量大等特性,是一种极有推广价值的优良速生珍贵用材树种,近几年在中国南方地区广为栽种(潘新建,2000)。长期以来,人们对光皮桦资源保护重视不够,过度采伐利用导致其野生资源锐减,现存林分多为成熟林或过熟林,林下鲜见幼苗,处于衰退阶段(李建民,2000),因此保护其野生种质资源已是当务之急。迄今对光皮桦的研究主要集中在生长特性、育苗造林、群落特征和综合利用等方面,陈伟(2006)基于RAPD和ISSR标记对福建省11个光皮桦天然群体77个单株的遗传多样性进行分析;谢一青等(2008)采用RAPD标记对4个不同海拔光皮桦天然种群遗传变异进行研究,但对光皮桦野生种群表型变异以及遗传变异与生境间关系的研究报道较少。本文采用表型性状测定结合RAPD标记,探讨福建境内光皮桦野生种群的遗传变异,以及遗传变异与环境因子间的相关性,期望为光皮桦种质资源的保护、遗传改良及合理利用提供有用信息。

1 材料与方法 1.1 样品的采集和处理

采样的8个光皮桦野生种群分别位于福建境内的连城李屋(P1)、永安小陶(P2)、尤溪坂面(P3)、明溪盖洋(P4)、沙县富口(P5)、邵武拿口(P6)、武夷山自然保护区(P7)、武平梁野山自然保护区(P8)。各种群涉及的生境变量包括地理、气候和土壤因子(表 1)。其中,经纬度、海拔由GPS测得,年均温、年降水、日照时数由各种群所在地气象站资料计算得到,土壤全磷、全氮、有机质含量及pH值参考谢一青等(2008)方法测定。光皮桦试验材料的采集林分皆为当地起源的天然林,按要求每个种群应选择20株以上采样,但由于大部分取样种群偏小、个体数有限,每个种群随机选取15个成熟植株,植株之间相距50m以上,并分别于选定样株上相同方位随机采集发育完全的叶片和成熟果序供各表型性状测定;采集各样株当年生枝条上的嫩叶,用改进的饱和NaCl-CTAB溶液(李志真等,2006)保存带回实验室,供DNA提取。

表 1 光皮桦野生种群的生境 Tab.1 The habitat of 8 wild populations of B. luminifera
1.2 研究方法 1.2.1 形态指标测定

借鉴Li等(1997)曾杰等(2005)的植物表型测定方法,用直尺、量角器、电子游标卡尺等工具测量叶片长、叶片宽、侧脉数、基宽距(叶基至最宽处距离)、叶柄长、叶基角等营养性状和果序长、果序宽、种子长、种子宽、种翅宽和种子千粒质量等生殖性状。每个单株测定20片完整叶片、20个结实果序和30粒种子。

1.2.2 DNA提取与RAPD分析

光皮桦总DNA提取、引物筛选、RAPD扩增等按谢一青等(2008)方法进行。筛选的用于本研究的10 bp随机引物(购自上海Sangon公司)序列见表 2

表 2 21个引物的序列 Tab.2 Sequences of 21 effective primers
1.2.3 数据处理

1) 形态指标数据分析:用变异系数(CV)和巢式方差分析等方法进行各表型性状变异分析,用表型分化系数(VST)反映种群间表型分化程度(葛颂等,1988),用SAS 8.2软件进行聚类分析。2) RAPD数据分析:将清晰、稳定出现的RAPD条带进行1/0标记,有带记为1,无带记为0,建立二元数据矩阵。用POPGENE 1.32软件计算各种群的多态位点百分比(PPL)、Nei's基因多样性(h)、Shannon信息指数(I)、遗传距离(GD)及基因分化系数(GST)等;用AMOVA软件(Excoffier, 1995; Miller, 1997)分析遗传变异在种群内、种群间的分布,并用TFPGA 1.3软件(Mark, 1997)进行聚类分析(UPGMA)。3)相关分析:用SPSS 13.0软件进行表型性状间、表型性状与环境因子及分子遗传参数与环境因子间的相关分析,其中遗传距离与地理距离、环境因子之间的相关分析参考谢一青等(2008)

2 结果与分析 2.1 光皮桦野生种群表型变异及其与生境的关系

表 3为8个光皮桦野生种群各表型性状的变异系数(CV)。从表中可以看出,同一种群内不同表型性状间以及同一表型性状在不同种群间的CV均存在较大差异。其中,变异程度最大的是种子千粒质量,其次是叶柄长、果序长、果序宽、侧脉数等,变异最小的是果序、叶和种子的形状指数(长宽比),说明种群内无论叶、果序还是种子,其形状指数较单个性状稳定;叶、果序、种子3类性状的平均CV分别为0.063 2,0.070 6和0.069 3,其中叶性状的平均变异系数比果序和种子性状小,表明叶性状比果序和种子性状的稳定性高;从种群水平看,武平梁野山自然保护区种群(P8)的变异最丰富(平均CV为0.128 8),沙县富口种群(P5)的变异最小(平均CV为0.075 5)。

表 3 光皮桦野生种群各表型性状的变异系数 Tab.3 Variation coefficients (CV) of phenotypic traits of B. luminifera in 8 wild populations

巢式方差分析结果(表 4)表明,调查的15个表型性状在8个光皮桦野生种群间、种群内均存在显著或极显著差异。叶、果序、种子15个表型性状的平均表型分化系数VST=0.361 7(变幅为0.306 1~0.398 6),即种群间的平均表型变异占总变异的36.17%,种群内占63.83%,说明光皮桦野生种群内变异是表型变异的主要来源。

表 4 光皮桦野生种群各表型性状的巢式方差分析结果和表型分化系数 Tab.4 Differentiation coefficients and variance analysis of phenotypic traits of B. luminifera in 8 wild populations

从光皮桦野生种群15个表型性状的相关分析结果(表 5)可以看出,营养性状中,叶长与叶宽呈显著相关,与叶基角呈极显著相关;侧脉数与叶基角,以及基宽距与叶柄长呈极显著相关。生殖性状中,果序长与果序宽呈显著相关,与种子宽呈极显著相关;种子长与种子宽、种翅宽与种子千粒质量均呈显著相关。在生殖性状与营养性状间,叶长宽比与种子长宽比呈极显著相关,侧脉数与果序长呈显著正相关,基宽距与种子长呈显著负相关。

表 5 光皮桦野生种群表型性状间的相关性 Tab.5 Correlations between phenotypic traits of B. luminifera in 8 wild populations

8个光皮桦野生种群的9个主要表型性状中,有6个表型性状与生境因子相关,其中侧脉数、叶基角与纬度呈显著负相关;侧脉数与经度呈极显著负相关,果序长宽比与经度呈显著负相关;种翅宽和种子千粒质量与海拔分别呈显著负相关和极显著正相关;侧脉数、叶基角与年均温以及叶长宽比、种子千粒质量与年日照时数均呈显著相关;叶长宽比与有机质含量呈极显著负相关,侧脉数、叶基角与pH值相关显著(表 6)。表明与生境因子相关的主要性状是叶长宽比、侧脉数、叶基角、果序长宽比、种翅宽和种子千粒质量。

表 6 光皮桦种群表型性状均值和遗传参数与生境因子间的相关性 Tab.6 Correlations between environmental factors and phenotypic trait means, genetic parameters of B. luminifera in 8 wild populations, respectively
2.2 光皮桦野生种群RAPD变异及其与生境的关系

21个10 bp随机引物对8个光皮桦野生种群120个样株DNA进行RAPD分析,共检测到225个位点,平均每个引物检测到10.7个位点(表 2)。图 1是引物S105,S22和S1402对种群P8的扩增图谱。

图 1 引物S105(A)、S22(B)和S1402(C)对种群P8的扩增图谱 Figure 1 RAPD profiles of population No.8 of B. luminifera (S105(A), S22(B) and S1402(C))

应用POPGENE 1.32软件估算的种群平均多态位点百分比(PPL)、Nei′s基因多样性指数(h)和Shannon信息指数(I)分别为65.27%,0.246 1和0.362 8,其中永安小陶种群(P2)的遗传多样性最高(PPL=68.89%, h=0.275 0, I=0.400 7),尤溪坂面种群(P3)最低(PPL=60.44%, h=0.224 4, I=0.332 5)。由POPGENE 1.32估算的Nei′s基因分化系数(GST=0.301 4)与利用AMOVA软件对8个光皮桦野生种群的分析结果基本一致,即种群间的遗传变异约占总变异的1/3(表 7)。

表 7 光皮桦野生种群间的遗传分化 Tab.7 Genetic differentiation of B. luminifera in 8 wild populations

8个光皮桦野生种群120个样株基于RAPD标记的结果有4个遗传参数与生境因子相关,其中多态位点百分比(PPL)、Nei′s基因多样性(h)、Shannon信息指数(I)与年日照时数显著相关(相关系数分别为0.570,0.554和0.526),遗传距离(DG)与年均温分异显著相关(相关系数为0.535)(表 6)。

2.3 聚类分析

基于表型性状和RAPD标记构建的8个光皮桦野生种群聚类树见图 2图 3。由图可见,基于15个表型性状的欧氏距离聚类树将8个种群划为3类:种群P3,P4,P5,P6和种群P1,P2,P7分别为一类,种群P8独立为一类;基于21个引物RAPD标记的Nei′s无偏遗传距离聚类树则将8个种群分为2类,即P1,P2,P3,P4,P8 5个种群聚为一类,P5,P6和P73个种群聚为另一类。可见,2类标记的聚类结果存在较大差异。

图 2 基于形态(表型)数据的聚类树 Figure 2 Dendregram of 8 wild populations of B. luminifera based on phenotypic characters
图 3 基于RAPD标记的聚类树 Figure 3 Dendregram of 8 wild populations of B. luminifera based on RAPD markers
3 结论与讨论

遗传多样性可从表型、染色体、等位酶、分子标记和碱基序列等多个层面进行研究和评价。本研究从表型和DNA分子水平上对福建8个光皮桦野生种群遗传变异进行分析,结果表明,光皮桦野生种群在表型和DNA分子水平上均存在较丰富的遗传变异。物种水平上,15个表型性状在种群内和种群间的CV均存在较大差异,其中种子千粒质量变异最大,果序、叶和种子的形状指数(长宽比)变异最小,叶性状稳定性较果序和种子性状高;RAPD标记揭示8个光皮桦野生种群平均PPL,hI分别为65.17%,0.246 1和0.362 8,这与陈伟(2006)对福建省11个光皮桦天然群体77个个体的分析结果基本一致,与同属的西南桦(Betula alnoides)(Zeng et al., 2003)遗传多样性水平相当,高于一般针阔叶树种的估计值(葛颂,1988)。表型及RAPD标记均显示,光皮桦野生种群遗传变异约2/3存在于种群内,1/3存在于种群间,这与濒危树种马褂木(Liriodendron chinense)(李建民等,2002)、银杉(Cathaya argyrophylla)(汪小全等,1997)等相似。

方差分析表明,光皮桦各表型性状种群间及种群内均存在显著或极显著差异,这说明不同表型性状对同一生境因子的适应性及同一表型性状受不同生境因子的影响不同,即表型变异是基因型和环境因子作用的结果。光皮桦表型性状中,叶长宽比、侧脉数和叶基角与经纬度、年均温、日照时数及有机质等生境因子呈显著或极显著正或负相关,说明这些环境因子对光皮桦叶形态特征的影响较显著;种翅宽与海拔呈显著负相关,这与西南桦的变异规律(曾杰等,2005)一致,推测可能是光皮桦种子对环境的一种适应性表现,不同海拔风速不同,而风和种翅宽都会影响种子散布的距离;种子千粒质量与海拔呈极显著正相关,与年日照时数呈显著负相关,与经纬度相关不显著,说明局部小生境如光皮桦开花结果时各地的小气候变化、土壤条件等可能对种子生长发育产生较大影响,这有待今后进一步深入研究。

基于RAPD标记的光皮桦野生种群遗传多样性指数PPL抑或hI都与年日照时数呈显著相关,与经纬度、年降水等呈负相关但不显著,说明年日照时数、经纬度、年降水等因子可能在维持光皮桦种群遗传多样性方面起一定的决定作用。这与黎中宝等(2002)对桐花树(Aegiceras corniculata)种群的研究,以及谢一青等(2008)对不同海拔光皮桦种群的研究结果相似。此外,种群间的遗传距离与年均温分异也呈显著相关,但与种群的地理距离相关不显著,表明地理隔离作用不明显。相关分析结果表明,生境对福建光皮桦野生种群遗传结构影响较大,但由于现存野生种群都比较小,因此小种群效应和生境片断化等因素也有可能影响种群的遗传分化。

基于表型性状和RAPD标记的聚类结果存在较大差异,主要可能是由于表型性状易受环境影响,分子标记不受环境影响之故。本研究表明光皮桦遗传变异约2/3源于种群内,说明小生境是其变异的主要来源。因此,在种质资源收集、评价及保护研究时,应充分考虑生境因子的作用,尽量从多层次,借助多种研究手段,对材料进行综合评价,才能更准确地评价种质资源。此外,本研究仅涉及福建境内的野生光皮桦种群,其结果能否代表一斑,有待更大尺度上、更深层次的进一步研究。

参考文献(References)
陈伟. 2006. 光皮桦天然群体遗传多样性研究[J]. 北京林业大学学报, 28(6): 28-34. DOI:10.3321/j.issn:1000-1522.2006.06.005
葛颂. 1988. 同功酶与林木群体遗传变异研究[J]. 南京林业大学学报, 12(1): 68-77.
葛颂, 王明庥, 陈岳武. 1988. 用同工酶研究马尾松群体的遗传结构[J]. 林业科学, 24(4): 399-409.
李建民. 2000. 光皮桦天然林群落特征研究[J]. 林业科学, 36(2): 122-124. DOI:10.3321/j.issn:1001-7488.2000.02.020
李建民, 周志春, 吴开云, 等. 2002. RAPD标记研究马褂木地理种群的遗传分化[J]. 林业科学, 38(4): 61-66. DOI:10.3321/j.issn:1001-7488.2002.04.010
李志真, 谢一青, 黄儒珠, 等. 2006. 不同保存方法对光皮桦总DNA提取效果的影响[J]. 分子植物育种, 4(1): 131-134. DOI:10.3969/j.issn.1672-416X.2006.01.022
黎中宝, 林鹏. 2002. 桐花树种群遗传变异与环境变量的关系[J]. 生态学报, 22(11): 1912-1916. DOI:10.3321/j.issn:1000-0933.2002.11.016
潘新建. 2000. 光皮桦资源的开发利用与发展前景[J]. 资源开发与市场, 16(4): 220-221. DOI:10.3969/j.issn.1005-8141.2000.04.011
汪小全, 韩英, 邓峥嵘, 等. 1997. 松科系统发育的分子生物学证据[J]. 植物分类学报, 35(2): 97-100.
谢一青, 李志真, 黄儒珠, 等. 2008. 武夷山不同海拔光皮桦种群遗传多样性及其与生态因子的相关性[J]. 林业科学, 44(3): 50-55. DOI:10.3321/j.issn:1001-7488.2008.03.012
曾杰, 郑海水, 甘四明, 等. 2005. 广西西南桦天然居群的表型变异[J]. 林业科学, 41(2): 59-65. DOI:10.3321/j.issn:1001-7488.2005.02.010
郑万钧. 1985.中国树木志: 第二卷.北京: 中国林业出版社, 2113-2131.
Excoffier L. 1995. AMOVA 1.55 (Analysis of Molecular Variance). Genetics and Biometry Laboratory, University of Geneva, Suitzerland.
Li P, Beaulieu J, Bousquet J. 1997. Genetic structure and patterns of genetic variation among populations in eastern White Spruce (Picea glauca)[J]. Canadian Journal of Forest Research, 27(2): 189-198. DOI:10.1139/x96-159
Mark P M. 1997. Tools for Population Genetic Analysis (TFPGA). Version 1.3. http://www.herb.bio.nau.edu/-miller.
Miller M P. 1997. AMOVA-PREP, a program for the preparation of AMOVA input files for use with WINAMOVA. Department of Biological Sciences, Northern Arizona University, Flagstaff, AZ.
Zeng Jie, Zou Yuping, Bai Jiayu, et al. 2003. RAPD analysis of genetic variation in wild populations of Betula alnoides from Guangxi, China[J]. Euphytica, 134(1): 33-41. DOI:10.1023/A:1026113506563