台湾杉人工林的遗传多样性和种源研究

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台湾杉(Taiwania cryptomerioides Hayata)为我国南方优良的乡土造林树种,是濒危的孑遗裸子植物之一。通过人工造林,台湾杉种群得到迅速恢复,目前在我国云南西部和台湾发展有较大规模的人工林,在贵州、福建、广西等亚热带地区也有广泛的引种栽培。林木的遗传多样性可以反映其适应环境变化的潜力,是物种保护和维持森林生态系统稳定性的必要条件,也是开展林木良种选育的基础。目前针对台湾杉人工林的遗传多样性及其种源研究尚十分欠缺。本研究基于简化基因组测序开发的台湾杉微卫星(SSR)分子标记,利用群体遗传学方法对台湾杉人工林和天然林的遗传多样性和遗传结构进行全面的评估,旨在阐明台湾杉人工林的遗传现状和存在的问题;分析人工林和天然林的遗传差异和关系,探明人工林的地理起源;提出对台湾杉种质资源保护及人工林种源利用的建议和措施。主要研究结果如下:(1)本研究采用简化基因组测序开发了12对具有多态性的SSR引物,使用79个个体对SSR位点的多态性进行分析,结果表明各位点的等位基因数目(NA)为2-5,平均为3.667;多态信息含量(PIC)为0.131-0.624,平均值为0.463,大多位点具有中等及较高的多态性。本研究开发的12对能够稳定扩增且具有多态性的台湾杉SSR引物适用于该物种后续的群体遗传学研究。(2)在台湾杉七个天然林居群中,Shannon’s信息指数(I)变化范围为0.464-0.727,平均值0.615;观测杂合度(HO)变化范围为0.216-0.475,平均值0.350;期望杂合度(HE)变化范围为0.292-0.433,平均值0.374。结果表明天然林总体上具有较低的遗传多样性,其中贵州格头居群的遗传多样性水平最高(HO=0.475、HE=0.433),其次是湖北利川(HO=0.379、HE=0.433)和云南尼瓦洛(HO=0.253、HE=0.380)居群,福建屏南遗传多样性水平最低(HO=0.333、HE=0.292)。云南其期和尼瓦洛居群间具有不同的遗传成分,部分个体间有基因流。贵州格头与湖北利川、福建古田、屏南居群间的亲缘关系较近,并且与云南居群的遗传成分明显不同。大陆与台湾居群间有较大的遗传分化。(3)研究表明台湾杉19个人工林居群整体上处于较低水平的遗传多样性(I=0.495、HO=0.215、HE=0.285),与天然林相比,人工林的遗传多样性具有一定程度的衰退。各人工林居群间的遗传多样性水平相差较大,其中云南天台山、贵州榕江、福建华口溪、河南信阳和台湾居群具有较高的遗传多样性。而云南张家坡、凤庆居群的遗传多样性较低,两个种子园居群也具有相对较低的遗传多样性。大多数人工林居群中存在近交现象。人工林(GD=0.256)较天然林居群(GD=0.320)有更高的遗传相似性。聚类分析和主坐标分析表明云南地区的人工林间的亲缘关系较近,贵州榕江、福建华口溪和河南信阳人工林亲缘关系较近。(4)聚类分析和分配性检测的结果表明,云南地区的人工林来自当地种源;贵州榕江、福建华口溪、河南信阳人工林种源来自贵州;云南昌宁种子园有来自云南腾冲和昌宁的种源,福建葛坑种子园有来自云南昌宁种子园和贵州的种源。分别在所采集的台湾杉天然林和人工林种质资源中提取出13和25个具有代表性的核心种质。综上,目前建立的台湾杉人工林的遗传多样性水平较低,且低于天然林的总体水平,人工林居群间的遗传相似性较天然林高,反映出人工林种源单一、遗传基础狭窄等问题。研究表明人工林种源区主要集中在云南和贵州,在未来种源选取中可以加强对湖北、福建地区种源的利用,可根据不同居群间的遗传多样性和结构的差异,选择更广泛的遗传变异,但在选择与当地居群遗传组成不同的外来种源时,应考虑存在的遗传风险,对建立的人工林进行长期的监测。
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