朴树叶绿体全基因组开发及三种生境类型下的朴树群体遗传学研究

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朴树(Celtis sinensis Pers.)隶属于属大麻科(Cannabaceae),朴属(Celtis),为高大落叶乔木。朴树为我国华东地区典型的乡土树种,也是山地人工林群落演替过程中典型的先锋树种,在地带性植被群落演替及恢复中发挥着重要作用,常见于山坡、林缘、村庄、路旁和庭院旁,用作园林观赏植物以及行道树栽植。本研究选取朴树为研究对象,通过Illumina Hi Seq TMXten测序平台对朴树进行浅层次的全基因组测序,来进行其叶绿体全基因组的组装。同时基于10个核微卫星分子标记(Nuclear Microsatellite,n SSR)对包括江苏徐州城区石灰岩山地、安徽皇藏峪省级自然保护区及周边乡村等在内的13个朴树居群(共426个植株体)开展了群体遗传学研究。本研究一方面旨在通过徐州石灰岩山地侧柏人工林不同演替阶段林下先锋树种朴树的遗传多样性动态变化来探讨其在群体演替过程中的遗传结构动态变化;另一方面则对城镇化进程等人类活动干扰对乡土植物朴树的遗传多样性影响程度进行分析和评估,并据此对乡村生态建设中乡土树种的保护提出相应的建议。主要研究结果如下:(1)基于二代高通量测序数据,成功组装了朴树的磨山(MS)个体的叶绿体全基因组。朴树叶绿体全基因组的大小为159,092 bp(Gen Bank Number:MN481989),在结构上呈典型的四分体结构,具体由一对长为26,895 bp的反向重复序列(IR,Inverted Repeat Region)和两个单拷贝区域(LSC,Large Single Copy,长86,085 bp和SSC,Small Single Copy,长19,217 bp)分隔。其基因组成上共包含131个基因,包括87个蛋白编码基因、36个转运体RNA和8个核糖体RNA。(2)微卫星位点多态性:10个微卫星位点一共扩增出205个等位基因,每个位点的等位基因数(Number of alleles,NA)范围为11-43,平均值为20.60。每个位点的观测杂合度(Observed heterozygosity,Ho)范围为0.101-0.791,平均值为0.5608;期望杂合度(Expected heterozygosity,HE)范围为0.140-0.945,平均值为0.6613;居群内遗传多样性(Genetic diversity within populations,HS)范围为0.099-0.844,平均值为0.600;总体居群间遗传多样性(Total genetic diversity,HT)范围在0.136到0.950,平均值为0.662;多态位点信息指数(Polymorphism information content,PIC)的范围为0.138-0.941,平均值为0.638。(3)居群遗传多样性:13个朴树野生居群的整体遗传多样性较高,其中位于徐州周边的乡村耿集村(GJC)的的遗传多样性最高(Allelic richness,AR=8.729,Ho=0.633,HE=0.581),野窑村(YYC)群体的平均遗传多样性最低(AR=5.664,Ho=0.450,HE=0.552)。按石灰岩山地侧柏人工林林龄由大到小的顺序:泰山(50年代)、泉山(60年代)、拉犁山(70年代)、磨山(80年代)中各朴树居群的遗传多样性依次减小,且居群间遗传多样性差异显著(P<0.05),上述结果表明在人工林演替进程中,群落中生境异质性的逐渐增加降低了物种的选择压,进而为林下朴树的生长提供了更多空间和资源。在徐州地区的针叶林向落叶阔叶林演替的过程中,朴树群体的遗传多样性呈现出先升后降的动态变化,两个处于针阔混交林阶段的朴树群体(LLSM、QSM)遗传多样性最高,结果表明朴树的遗传多样性变化与先锋树种的群落动态特征相吻合。徐州城区周边农村地区的朴树(乡土树种)居群间遗传多样性与乡村城镇化、园林化的程度呈负相关,且存在显著差异(P<0.05)。皇藏峪自然林缘朴树群体遗传多样性高于林窗群体,且差异显著(P<0.05)。综上所述,我们建议在美丽乡村建设过程中,需尽可能保留乡土树种,维持其遗传多样性水平,不同种源引种也会提高朴树的遗传多样性。其中耿集村和皇藏峪林缘的两个朴树群体具有较高的遗传多样性,表明其具有较高的遗传资源保护价值。(4)群体遗传分化信息:13个朴树群体聚类为两个遗传谱系,其中位于安徽皇藏峪自然保护区的2个居群和徐州城区石灰岩山地泰山居群的属于同一分支;其余10个居群属于另一个分支,其中耿集村居群遗传距离与前一分支较为接近,推测其群体内存在人工引种。朴树遗传变异系数(FST)为0.1289,表明群体间存在中等程度的遗传分化。朴树群体总体遗传变异中有0.2%存在于组群间,12.69%存在于群体间,87.11%存在于群体内(P<0.001)。
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