基于ITS和cpDNA分子标记的江西野生寒兰居群遗传结构研究

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兰科(Orchidaceae)植物是被子植物中最为进化的类群和物种数最为丰富的大科之一,其中大多数为世界珍稀濒危植物。寒兰(Cymbidium kanranMakino)为兰科兰属植物,具有很高的观赏价值和经济价值。江西省三面环山,境内野生寒兰资源十分丰富,然而过度的采挖、林木砍伐以及森林火灾等原因致使生态环境遭到严重破坏,野生寒兰的数量急剧减少。本研究在调查江西省境内九连山脉、武夷山脉、罗霄山脉及九岭山脉野生寒兰资源的基础上,采集了17个野生寒兰居群的250个样本,利用ITS和cpDNA分子标记对其进行遗传结构和遗传多样性研究。分析了江西省野生寒兰居群的遗传结构、遗传分化、遗传多样性、谱系地理学以及基因流特点,探讨了江西野生寒兰数量锐减的原因,旨在为江西野生寒兰资源的保护和合理利用提供参考建议。主要研究结果如下:(1)江西省野生寒兰居群ITS序列总长度变化范围为652-658bp,其中ITS1长度范围为240-241bp,5.8S长度相对保守为163bp,ITS2长度为245-253bp。ITS总序列、ITS1、5.8S、ITS2区域G+C含量的变化范围分别是58.9%-67.1%、56.5%-68.1%、54.3%-62.4%、59.7%-72.6%,序列中G+C的含量明显较高。测序结果表明ITS序列全长共有140个变异位点和117个信息位点。江西省17个野生寒兰居群的250个样本中共有10种ITS类型,其中有16个居群中含有2种及以上ITS类型(T2分布最广),表明居群内存在变异。尤其武夷山脉所含ITS类型最为丰富,为8种。寒兰ITS序列AMOVA分析显示居群间遗传变异为21.12%,居群内的遗传变异为69.24%,表明居群内部的遗传分化程度较高,而居群间的遗传分化程度相对较低。Nm=1.1428,Nm>1,表明江西寒兰各居群间的基因流水平高。(2)江西省野生寒兰cpDNA的petB-petD基因间隔区总长度为522-529bp,G+C的含量为32.9%-33.7%,共检测到9个变异位点和5个简约信息位点。居群遗传多样性研究表明:17个野生寒兰居群中共有11种单倍型,其中Hap4为该谱系的广布单倍型,15个居群含有2种及以上单倍型,表明该居群具有单倍型多态性。罗霄山脉和九连山脉各有3种单倍型,九岭山脉有4种,武夷山脉含有7种。通过TCS网状结构图推测Hap4为最原始的单倍型;通过HAPLONST分析,居群间的遗传分化系数为Gst=0.413,Nst=0.472,使用U检验对17个寒兰居群进行谱系地理结构进行分析,UNst/Gst=1.08<U0.05=1.96,P>0.05,表明寒兰居群不存在明显的谱系地理结构。通过IBD对17个野生寒兰居群进行遗传距离与地理距离的相关性分析,结果显示两者没有明显相关性(r=0.0121,p=0.5720),表明寒兰居群间的遗传分化程度不是因为地理距离的远近造成的。cpDNA序列变异分析(AMOVA)的结果显示,寒兰居群间的遗传变异为40.13%,居群内遗传变异为49.28%,居群内遗传分化程度大于居群间的遗传分化程度,Nm=0.7839,表示居群间基因流中等。(3)通过ITS和cpDNA数据的综合分析显示,江西省17个野生寒兰居群遗传多样性水平整体较高,而居群内部的遗传分化程度远高于居群间的遗传分化程度,表明各大山脉不同居群间的基因流较大。其中,武夷山脉寒兰野生居群的遗传多样性最为丰富,罗霄山脉次之,另两大山脉则相差不大。在17个寒兰居群中以SW和AF两地居群内的遗传分化和变异水平最高,ITS类型和单倍型种类最多。可能是因为两地都是位于两省山脉交界处的边缘效应,使得居群间的基因流水平更高,而且两地都建立了国家自然保护区,周边的生态环境良好,受到的人为干扰较少。通过本实验的研究结果结合实际的调查采样情况对江西野生寒兰的资源保护策略和开发利用提出如下建议:第一,对于遗传多样性丰富数量较多的AF、SW、ZX、SC、TG、YF、JGS等地采取建立自然保护区,并在周边设立监督站点以就地保护;第二,对于遗传多样性水平较低,野生寒兰数量和分布急剧减少的JA、LN、LC、NF、AY、CY等地采取人工引种结合快速繁殖“回归”技术以尽快恢复当地野生寒兰居群的规模;第三,加大科研力度,找出更好的方法来维持和扩大野生寒兰的居群规模和数量,并对其传粉昆虫进行保护。
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