几种木兰科植物遗传多样性研究进展

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  摘要:生物多样性的研究和保护是当今世界普遍关注的问题,遗传多样性是生物多样性的重要组成部分。木兰科植物中在被子植物中受到严重威胁的种类最多,且部分是中国濒危稀有植物,研究其遗传多样性具有重要意义。文章综述了木兰科重要属、种的遗传多样性研究进展,并根据国内的研究现状,提出建议。
  关键词:木兰科;遗传多样性;研究
  木兰科(Magnoliaceae)植物是古老的第三纪孑遗植物,分布于亚洲、美洲的热带至温带,我国有11属约9O种,主要分布在长江以南,华南至西南的地方[1]。据记载,木兰科是被子植物中受到严重威胁种类最多的科,其中有8属35种是中国濒危稀有植物[2]。
  生物保护的最终目标是保证物种或居群的延续及维持物种的进化潜力[2]。物种的遗传多样性既是其维持繁殖活力和适应环境变化的基础,同时又是其它一切多样性的基础[3],而居群的遗传多样性水平在相当程度上制约着一个居群对环境的适应能力,可以因此预测这个居群未来的发展趋势[4]。种内遗传变化是物种适应环境变化以及物种进化的基础,对物种保护有重要意义[5]。
  近年来野生居群遗传多样性的减少已经成为保护生物学最关注的问题[6],从一个居群或物种的遗传数据可以估算出它的遗传多样性水平、遗传漂变的影响力、遗传分化程度和基因流,了解这些数据是防止这个居群或物种灭绝必须做的第一步[7]。因此,了解木兰科植物中如华木莲、巴东木莲、乐昌含笑等濒危物种的遗传多样性并据此分析其致濒原因,这对保护物种多样性具有非常重要的意义。同时,也有益于研究木兰科的系统分类,系统发育、分布及其起源,被子植物的起源与演化等问题。
  1 华木莲属(Sinomanglietia)
  1.1 华木莲(S. glauca)
  在1999年国务院公布的《国家重点保护野生植物名录》中,华木莲被列为一级保护植物。根据IUCN(国际自然与自然资源保护联合会)(2001)公布的“2001 IUCN Red List Categories and Criteria”,如果一个物种的生活区域不超过100 km2,仅存一个居群,且个体数量还在持续减少,则这个物种属于极度濒危物种。华木莲仅分布于27°34′N~27°36′N,114°19′E~114°22′E[8],总面积仅16 km2左右,属于极度濒危物种。因此,对华木莲的遗传多样性进行研究,进而探讨其濒危的原因将对华木莲的保护及物种多样性的保护有着非常重要的意义。
  林新春和俞志雄利用RAPD分子标记对华木莲的l9个天然群体进行了遗传多样性分析,结果表明:华木莲居群在遗传距离为0.205处可分为三大类:玉金山居群、模式标本树周围居群、模式标本树对面山上的其余居群;19个居群之间的遗传相似性指数介于0.7000~0.9389之间,遗传距离值介于0.0931~0.3808之间,平均观察等位基因数与平均有效等位基因数分别为1.5444和1.3l34,平均基因多样度和平均Shannon信息指数分别为0.1847和0.2782[9]。
  华木莲自然居群的遗传多样性水平低于一般物种。与其它濒危植物相比,它低于观光木、北美鹅掌楸及中国鹅掌楸,高于版纳青梅,可能与水杉相当而高于银杉。其居群间的分化可能主要受环境因子选择和基因流阻隔的影响,华木莲陷入濒危之境的主要原因可能是生境破坏严重和它自身的生物生态学特性。应对华木莲现有生境进行保护,并人工促进生长更新,扩大现有居群,提高遗传多样性,并开展迁地保护。
  廖文芳和夏念和运用ISSR标记对采自江西宜春的华木莲进行遗传多样性研究,结果表明,无论与物种的遗传多样性平均水平,还是与同科的乐昌含笑和观光木,或其它特有、珍稀濒危物种相比,华木莲的遗传多样性都是很低的,其遗传结构显示了它作为珍稀濒危物种的特性[10]。研究指出了导致华木莲遗传多样性较低的两个可能原因:一是华木莲演化历史与生境破坏。最早的、最可靠的木兰科大化石出现在白垩纪[11],第三纪时,木兰科植物曾经广泛分布于北半球[12],到第四纪,我国东部出现了干冷与湿暖气候的交替变化[13],极不利于当地植物的生长,华木莲的生长可能在历史的气候变迁中遭遇了严重的瓶颈效应,从而遗传多样性极低。二是人为破坏。华木莲是国家保护树种,而且个体很少,竹林中的成年华木莲大树在当地的林业部门有记录,而幼苗则无记录,农民为其自身的利益,常在竹林管理时将华木莲幼苗清除,使华木莲个体数量急剧减少,直接导致了华木莲遗传多样性的降低。人为破坏是导致华木莲遗传多样性低的直接原因,而低的遗传多样性是导致华木莲濒危的主要原因。
  在保护珍稀濒危植物中,栖息地的保护被认为是最重要的。由于华木莲种群数量稀少,生长区域狭窄,遗传多样性水平低,抗干扰能力弱,因此,对华木莲的保护应以就地保护为主,将华木莲的整个生长区域保护起来,以提高其遗传多样性。为了增加遗传变异,在就地保护的同时,还应该进行迁地保护。在迁地保护过程中应尽可能地从华木莲的整个生长区引种,由于华木莲靠昆虫传粉(主要是甲虫),种子的传播主要依靠鸟类,在进行迁地保护时,应充分保证移栽后华木莲的正常繁殖,在选择栽培地时,尽量选择与华木莲原始生境相似,受外界干扰少的区域,以保证移栽后华木莲的成活及生长;同时,应该尽量避免移栽幼苗,而采用种子培育的方法进行移栽 [10]。
  2 木莲属(Manglietia)
  2.1 巴东木莲(M. patungensis)
  巴东木莲隶属于木兰科木莲属,为我国特有珍稀濒危物种。分布范围狭窄,仅见于湖北、湖南、重庆及四川的局部地区,且极为零散,很多居群的个体数量不超过10株,较大的分布点估计有30株以上。垂直分布多见于海拔600~1000 m 的密林中[14],其树形美观、四季常绿,是良好的园林绿化树种,树皮为中药厚朴的代用品。尽管我国的植物学工作者对其繁殖技术进行了一定的研究[15,16],但整体来看研究较少,资料欠缺,尤其在居群遗传多样度及遗传结构方面。   何敬胜等[17]采用等位酶分子标记的技术和方法,系统地对巴东木莲遗传多样性、遗传变异程度进行了研究。结果表明,巴东木莲具有较高的遗传多样性和一定程度的遗传分化。[此为18号文献,与17号文献的顺序应该调整一下。]较高的遗传多样性可能与其繁育系统等生物学特性、生活习性及生境特点有关。其次,巴东木莲为长寿命多年生的树种,而且种子萌发能力较强[18],在相当长的时间内可以保持原有的遗传多样性。最后,巴东木莲所处的长江流域地形复杂、气候差异显著,在第四纪冰川期成为许多第三纪古老植物和特有植物的避难所,并形成一个遗传多样性孑遗中心,也是木兰科植物的现代分布中心和多样性中心之一。与受第四纪冰川影响更大的北美相比,该地区更有利于物种在冰期保持遗传多样性,从而削弱冰期后的瓶颈效应。
  巴东木莲目前仍有较高的遗传多样性,说明导致它濒危的不是遗传基础,而是生境破坏。因此,建议以就地保护为主,迁地保护为必要补充[17]。
  3 含笑属(Michelia)
  3.1 乐昌含笑(Mi. chapensis)
  乐昌含笑,木兰科含笑属植物,自然分布于我国中亚热带偏南地区,是南方常绿阔叶林的主要组成树种之一。原始林因受人为砍伐的影响,现呈间断零散分布,水平分布东起福建武夷山,西至贵州黔东南山区,南至广东怀集,北达湖南慈利,包括江西、湖南、广东、广西、贵州、福建六省[19]。乐昌含笑自20世纪90年代中期被作为优良绿化树种推出后,在华东地区得到广泛研究利用,其引种育苗、嫁接繁殖等方面的技术很快被攻克了。但是,由于乐昌含笑开发利用前期被无节制地采种和砍伐,野生资源遭到了严重的破坏,遗传多样性受到严峻考验。
  姜景名和滕花景应用随机扩增多态DNA(RAPD)标记方法分析了珍稀木兰科植物乐昌含笑6个种群的遗传多样性及分化程度,探讨了其群体遗传结构。研究结果揭示乐昌含笑具有较高的遗传多样性,平均Shannon指数为0.4751,多态位点频率高达81.98%,种群间的基因分化系数为22.26%[20]。
  乐昌含笑群体内的遗传变异大于群体间的遗传变异,所以在进行种质收集或种源试验时,可以适当地在群体内加大取样单株的数量,以增加遗传变异的来源[20]。
  4 鹅掌楸属(Liriodendron)
  鹅掌楸属现存2种,一种是生长在我国中部和南部山区的中国鹅掌楸(L. chinese),另一种是生长在美国中西部至加拿大东南部一带的北美鹅掌楸(L. tulipifera),既是地球上残存并处于濒危状态的双种属,被称为跨洲际分布的特殊类型“树种对”,又是优良的杂交育种配对亲本种[21-22]。
  20世纪90年代Parks等人[23]和Parks本人[24] 分别利用等位酶标记和RFLP技术进行了中国鹅掌楸与北美鹅掌楸的遗传分析,计算出Nei’s遗传距离为0.434,北美鹅掌楸的群体遗传变异与遗传多样性大于其他异交授粉树种。国内同时期的研究得出了鹅掌楸育种潜力大,中国鹅掌楸与北美鹅掌楸各自空间格局形成的假说[21,25]。1997年朱晓琴等人通过等位酶分析研究,认为鹅掌楸种内遗传多样性水平较高,种内遗传变异的20.6%分布在群体间、79.4%分布在群体内,东部分布亚区的多样性水平和群体问分化程度高于西部,其遗传多样性水平随着纬度增加而递减[26-27]。近年来,逐步开展了鹅掌楸花粉流标记和检测鹅掌楸属种间杂交的花粉污染等研究[28-29]。
  刘丹和顾万春运用群体遗传学原理、RAPD分子标记技术,从DNA分子水平阐述鹅掌楸的群体遗传多样性、群体遗传变异规律等,探讨中国鹅掌楸、北美鹅掌楸遗传变异丰富程度及杂种鹅掌楸的偏重亲本杂交程度,为鹅掌楸遗传资源保存、测定、评价和利用提供实验依据[30]。
  RAPD所提供的遗传信息与已发表的中国鹅掌楸等位酶揭示的遗传规律大致相符。研究结果从分子水平上进一步证实了中国鹅掌楸群体具有丰富的遗传多样性,并证实了北美鹅掌楸遗传多样性要高于中国鹅掌楸。
  在中国鹅掌揪、北美鹅掌揪的等位酶研究中,用RAPD分析结合表型研究的结果都表明鹅掌楸存在着广泛而丰富的遗传变异,但为什么又处于濒危状态?许多学者分别从不同角度进行了论证,多数人认为是生殖上隔离和濒危生态造成鹅掌楸日趋濒危,但如何挖掘其广泛的遗传资源,还有待探讨。
  5 观光木属(Tsoongiodendron)
  5.1 观光木(Tsoongiodendron odolum)
  观光木是木兰科单种属植物,其形态与含笑属相近,因其聚合果于果熟时愈合而与含笑属不同,是研究被子植物系统发育方面的重要材料。该种分布区很广,包括湖南、江西南部、福建、广东、广西、云南东部及海南,但种群通常较小,为稀有植物,是我国二级保护植物[31]。
  黄久香和庄雪影应用随机扩增多态DNA(RAPD)标记方法来研究华南四地不同观光木种群的遗传多样性特点,结果揭示观光木具有较高的遗传多样性,平均Shannon指数为0.3565,Nei’s指数为0.2597,多态位点频率高达78.13%[32]。据罗光佐等人应用RAPD对木兰科中国鹅掌楸和北美鹅掌楸种群间基因分化研究的结果,中国鹅掌楸和北美鹅掌楸的Shannon多样性指数也较高,分别为0.6189和0.5806,基因分化系数分别为63.55% 和9.46%[33]。与之比较,观光木的遗传多样性指数比两种鹅掌楸属植物都低,种群间的平均分化系数为27.01% ,其种群间的遗传分化程度界于北美鹅掌楸和鹅掌楸之间。而与双子叶植物的遗传变异水平(Gs =0.273)[34]对比,观光木的遗传分化程度稍高。
  研究结果还显示了观光木的自然种群仍保持着较高的遗传多样性水平。而在野外调查过程中,发现华南地区许多观光木种群及其所在的生境都已遭到严重破坏。由此可见,自然种群及其生境的破坏是导致观光木濒危的主要原因之一。此外,影响观光木自然种群发展的因素还可能与其种子缺乏有效传播者和天然群落中种子萌发能力较低有关。   6 小结
  木兰科植物大多数是中国濒危稀有植物,其遗传多样性大多与地域起源、分布有很大关系。国内关于木兰科遗传多样性方面的研究起步较晚,而且主要集中于少数几个种,并且多限于形态学、发育学、细胞学和生态学,对保护遗传学的研究还是少数。研究方法主要是随记扩增多态DNA(RAPD)标记方法、等位酶分子标记方法、ISSR标记方法和RFLP技术。
  遗传多样性水平不仅制约着生物适应性进化速率,而且是人工育种和生物多样性保护实践的前提。鉴于遗传多样性研究的重要理论与实践意义,结合当今国内研究现状,对今后的工作提出几点建议:1)木兰科植物种群遗传结构和分化研究与资源保护和利用相结合,采用常规方法与先进的分子生物学技术相结合的方式,研究和评价木兰科植物资源遗传多样性,研究种间及种内群体间遗传结构的时空、动态分布;2)营建木兰科植物种质资源基因库。根据资源特点,制定相应的就地保护与迁地保存策略,为完善该科植物保护及利用的法规提供理论依据;为种源区划、优良种源的选择、长期合理利用木兰科植物资源奠定基础。
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