全 文 ：　　收稿日期:2003-01-20　　　　 通讯联系人　E-mail:w ang-xiaofan@263.net
基金项目:国家自然科学基金资助项目(39870082 ,30170157)
作者简介:陈锦华(1959-),男 ,副教授 ,现从事遗传学与发育生物学教学与研究.
文章编号:1671-8836(2003)04-0523-05
矮慈姑自然居群的克隆生长格局
陈锦华1 , 2 ,汪小凡1 ,吕应堂1
(1.武汉大学 生命科学学院/植物发育生物学教育部重点实验室 , 湖北 武汉　430072;
2.孝感学院 生物系 ,湖北 孝感　432100)
　　摘　要:采用等位酶分析方法 , 研究了矮慈姑一个自然居群的克隆多样性与空间格局.根据 9 个酶系统 16 个
等位酶位点 23 个等位基因的检测结果的一致性分析 , 在由 120 个单株组成的矮慈姑自然居群中 ,总基株数 G =
20;平均克隆大小 Nc=6;不同基因型比率 PD=1.666 7;克隆的基因型多样性 Simpson 指数 D =0.849 6;克隆的基
因型分布均匀性 Fager指数 E=0.837 1.克隆生长空间格局分析表明 ,矮慈姑自然居群中的克隆之间有明显的相
互交错 ,克隆构型为混合型 , 分株居群的构型有游击型 、密集型以及这两者之间的过渡类型.
关　键　词:矮慈姑;自然居群;等位酶;克隆多样性;空间格局
中图分类号:Q 941　　　文献标识码:A
0　引　言
　　克隆植物(clonal plants)广泛存在于不同植物
类群以及几乎所有的生态系统类型中 ,许多常见的
经济作物和有害的杂草具有克隆生长(clonal
g row th)的习性 ,它们的经济重要性和危害的严重性
与克隆生长习性直接相关[ 1] .一个克隆居群(clonal
population)是由一个或多个基株(genet)组成的 ,每
一个基株由或多或少的相对独立的无性系分株
(ramet)组成.对克隆生长格局的研究就是要了解居
群中每一基株的分株数及其空间构型.由于同一基
株的分株之间的物理连接并不总是存在的 ,根据同
一基株的无性系分株具有相同基因型的原理 ,用分
子标记方法进行克隆多样性及其空间分布格局检测
是一种效率较高而且精度较好的方法[ 2] .
矮慈姑(Sagit taria pygmaea Miq.)是常见的一
年生草本水生植物 ,以匍匐茎进行克隆繁殖 ,同时正
常完成有性生殖过程 ,为稻田的主要杂草之一[ 3] .
陈家宽等[ 3 , 4]对矮慈姑居群之间及居群内个体之间
的变异研究发现变异强度与其环境异质程度有关.
汪小凡和陈家宽[ 5]对矮慈姑的传粉机制与交配系
统研究发现矮慈姑自交可育 ,雌雄同株和花序内雌
雄花异熟等交配机制;其自然居群中的异交率为
49.9%,为异交/自交兼性交配系统.胡小辉等[ 6]对
长喙毛茛泽泻(Ranalisma rostratum)及冠果草(S .
guyanensis ssp.lappula)、武夷慈姑(S .wuy inen-
sis)和矮慈姑的遗传多样性研究发现矮慈姑在这 4
个种中遗传多样性最高 ,预期杂合度和观察杂合度
分别为 0.155和 0.269.罗晓铮等[ 7] 在繁殖方式对
矮慈姑生长的影响研究发现种子繁殖和球茎营养繁
殖对植株生物量和高度都有明显影响.Edwards和
Shari ts
[ 8]对另外两种慈姑 Sagittaria isoet i formis和
S .teres 的居群遗传学研究发现他们的预期杂合度
分别为 0.399和 0.177.
尽管克隆生长在矮慈姑自然居群中起着重要作
用 ,且被认为是导致较低异交率的主要因素之一[ 5] ,
目前还未见该物种克隆生长的研究报道.由于该种生
于泥沼环境 ,难以通过物理联接(匍匐茎)对其每一克
隆作出判断 ,本研究采用垂直板聚丙烯酰胺凝胶电泳
技术和等位酶分析方法 ,对其一个具有典型意义自然
居群的克隆生长格局和克隆多样性进行探讨.
1　材料和方法
1.1　供试材料及取样
供试材料取自矮慈姑的一个自然居群.该居群
位于湖北省孝感市现代农业开发区内的一块莲藕田
第 49卷　第 4期
　2003 年 8 月
武汉大学学报(理学版)
J.Wuhan Univ.(Nat.Sci.Ed.)
Vol.49　No.4 　
Aug.2003 , 523 ～ 527
DOI :10.14188/j.1671-8836.2003.04.026
中(30°57.00′N , 113°54.14′E),采样时间为 2001
年11月.由于矮慈姑居群中单株密度较大 ,如果对
整个居群采取大面积随机抽样 ,则可能因取样强度
太小而无法反映同一基株的无性系分株之间的邻接
关系.因此本研究中采样区域为面积 2.0 m×6.0 m
的相对独立的局部 ,用GPS 定位系统测定取样地精
确经纬度 ,以地上部分独立的植株为单位分别进行
单株采样 ,取样强度为 100%,共获得 120个单株样
本 ,将每一植株在居群中的准确位置记录于坐标纸
上.
1.2　制样和电泳
每株取幼叶 200 mg ,分别加 0.4 mL Tris-HCl
提取缓冲液(pH7.5), 在冰浴中研磨提取酶样 ,
-20℃保存备用 ,点样前移至 4℃下静置 15 min 后
10 000 r/min 离心 1 min ,取上清液.采用垂直板不
连续聚丙烯酰胺凝胶电泳 ,分离胶浓度 8.5%, pH
8.8;浓缩胶浓度 4%, pH6.8;点样槽 40个/板 ,点样
量 5 ～ 25μL(视不同酶的活性而定);电极液为 Tris-
甘氨酸缓冲液 , pH8.3;电压 250 V ,电泳时间4 h;分
别对不同酶系统进行染色.电泳过程参照汪小凡和
陈家宽(1999)的工作[ 5] ,同工酶染色根据 Solt is 等
(1983)[ 9]和王中仁(1996)等[ 10]文献中的方法作修
改.
1.3　等位酶分析
本研究中检测了 13种酶系统 ,其中有 9种酶系
统获得了清晰稳定的酶谱 ,它们是:天冬氨酸转氨酶
(AAT)、乙醇脱氢酶(ADH)、淀粉酶(AMY)、酯酶
(EST)、甲酸脱氢酶(FDH)、谷氨酶脱氢酶(GDH)、
苹果酸脱氢酶(MDH)、苹果酸酶(ME)、莽草酸脱氢
酶(SKD).共获取了 16个等位酶位点共 23个等位
基因的数据.
在通常的工作中 ,等位酶资料主要用于居群的
遗传多样性分析 ,但本研究根据电泳图谱分别确定
每一植株的基因型 ,按照全部位点上的基因型一致
性来认定哪些植株属于同一基株 ,从而确定基株的
类型及其所含分株数 ,在此基础上得到克隆多样性
指数绘制克隆生长的空间格局图.
1.4　克隆多样性指数计算
本研究中所统计的指标包括:1)样本个体总数
N;2)实际基株数目 G;3)平均克隆大小 N c:N c =
N
G
;4)基因型比率 PD:PD= G
N
;5)克隆的基因型多
样性 D ,采用 Simpson 指数[ 11] ;6)基因型分布均匀
度 E ,采用 Fager 指数[ 12] .D 值和 E 值的计算公式
为:
D =1-∑ n i(n i -1)N(N -1);E = D -DminDmax -Dmin
其中 , Dmin =(G-1)(2N -G)N(N -1) ,Dmax =(G -1)NG(N -1), ni
为第 i个基株所含的分株数.
2　结果和分析
2.1　矮慈姑自然居群的克隆多样性
在本研究所检测 16 个酶位点中 ,只有 Aat-1 、
Aat-2 、Est-3 、Gdh-1 和 Skd-1 共 5 个位点为多态位
点 ,由于所有单株在单态位点上的基因型是一致的 ,
对克隆多样性分析起作用的主要是多态位点.这 5
个多态位点共存在 12个等位基因 ,理论上可以产生
972种多位点基因型 ,通过有性生殖过程形成两个
具有完全相同的多位点基因型的几率较小 ,因此在
本研究中将多位点基因型相同的单株认定为同一基
株的克隆分株.
根据等位酶分析得到的各单株样本的基因型推
定 ,在由 120个单株组成的矮慈姑自然居群中 ,实际
所含基株数为 G=20;平均克隆大小 N c=6 ,即平均
每一基株具有 6个克隆分株;不同基因型比率 PD=
0.166 7;克隆的基因型多样性 Simpson指数为 D =
0.849 6;克隆的基因型分布均匀度 Fager 指数为 E
=0.837 1(表 1).
表 1　矮慈姑自然居群的克隆多样性
指　标 度量值
样本数 120
实际基株数 20
平均克隆大小 　6.000
基因型比例 　0.1667
克隆多样性指数 　0.8496
基因型均匀度指数 　0.8371
2.2　矮慈姑自然居群的克隆生长格局
表 2为矮慈姑自然居群不同基株所含有的分株
数.由表 2可见 ,不同的基株所含有的分株数差异很
大.有 5个分株居群的分株数大于平均数 ,为优势克
隆.最大的分株居群由 33个分株组成 ,另有一个分
株居群含有 28个;仅含 2 ～ 3个分株的基株占有较
大比例 ,最小的分株居群只由一个分株组成.优势克
隆在居群中的数量虽然不多 ,但形成的分株数却多
达 96个 ,占居群中样本总数的 80%.
　　在 120个单株样本中 ,仅有 7个单株具有彼此
互不相同且与其他单株均不相同的基因型.这些单
524 武汉大学学报(理学版) 第 49 卷
表 2　矮慈姑居群中不同大小克隆的数量
编号 克隆大小 克隆数 图标
1 33 1 ◇
2 28 1 ◎
3 14 1 ◎
4 8 1 ★
5 7 1 ☆
6 6 1 ☆
7 ～ 9 3 3 △, ,
10 ～ 13 2 4 ○, ★, □, ◆
14 ～ 20 1 7 ·
合计 20　
株可以视为新产生的尚未开始克隆生长的实生苗 ,
它们也可能是与取样范围之外的某分株属于同一基
株.可见 ,有性生殖在矮慈姑中虽然能正常进行 ,而
且对遗传多态性的形成与维持有十分重要的意义 ,
但对居群的数量增长仅起补充作用.
矮慈姑自然居群的克隆空间格局(spatial pat-
tern)见图 1.从图 1中可看出 ,由 33个分株组成的
分株居群(每个分株用符号“ ◇”表示)分散在整个克
隆居群中 ,其最大扩散距离约为 5.6 m ,在不同局部
区域形成 2 ～ 7个分株相邻分布;由 28 个分株组成
的分株居群(每个分株用符号“ ◎”表示)也分散在整
个克隆居群中 ,其最大扩散距离约为 5.8 m ,在局部
有两处多达 8 ～ 9个分株呈相邻分布;其他分株居群
较多地呈相邻分布.这说明矮慈姑自然居群中的克
隆间有明显的相互交错 ,克隆构型为混合型 ,即在克
隆居群中的分株居群有不同的构型:游击型(gueril-
la)、密集型(phalanx)以及这两者之间的过渡类型.
图 1　矮慈姑自然居群克隆生长的空间格局
图中同一基株的不同克隆分株用相同的符号表示.但实心小园点(·)表示的是基因型各不相同的单株
3　讨　论
克隆的基因型多样性 Simpson指数 D 值是比
较不同研究的最好估算值 , D 值反映的是居群中特
定基因型的相对频率 ,较高的 D 值意味着在取样范
围内居群中几乎每个取样个体遗传上都不同 , D 值
等于 1表明每个个体有其独特的多位点基因型;较
低的 D 值则表明在居群内有一些基因型多次取样 ,
而 D 值等于 0说明所有个体有一个共同的多位点
基因型.本研究中矮慈姑自然居群的克隆多样性属
中等水平 ,其 D 值低于青冈(Cyclobalanopsis glau-
ca)[ 2] 、羊柴(Hedysarum laeve)[ 13] 、华山新麦草
(Psathyrostachys huashanica)[ 14] 和羊草(Leymus
chinensis)[ 15] ;而比沙鞭(Psammochloa v il losa)[ 16]
和其他 21种克隆植物的平均值[ 17]高(表 3).
　　克隆分株居群的空间格局被认为是克隆植物与
其利用环境(如资源)异质性能力相关的性状:游击
表 3　矮慈姑与其他克隆植物的克隆多样性的比较物
物　　种 G PD D 文献
矮慈姑 Sagittaria pygmaea 20 0.166 7 0.849 6
青冈 Cyclobalanopsis glauca 37 0.822 0 0.988 2 [ 2]
羊柴 Hedysarum laeve 63 0.297 0 0.930 4 [ 13]
华山新麦草 Psathy rostachys huashanica 256 0.948 1 1.000 0 [ 14]
羊草 Leymus chinensis 304 0.840 0 0.983 0 [ 15]
沙鞭 Psammochloa villosa 12 0.076 0 0.764 0 [ 16]
21 种克隆植物的平均值 16.1 0.170 0 0.620 0 [ 17]
525第 4 期 陈锦华 等:矮慈姑自然居群的克隆生长格局
型构型具有很强的克隆扩散能力 ,易于利用分散分
布的资源;密集型构型的克隆扩散能力有限 ,宜于利
用非常局部分布的资源.所以 ,分株居群的克隆构型
是植物克隆生长及其生态适应对策的结果[ 1] .矮慈
姑克隆居群的构型为混合型 ,其中不同的分株居群
有着不同的构型 ,有游击型 、密集型以及这两者之间
的过渡类型.这种混合型的克隆生长空间格局使其
具有最大限度的利用资源的能力 ,在生存竞争中能
使居群得以保存和发展.
矮慈姑主要是以匍匐茎和小球茎进行克隆生长
的 ,已有实验表明该种不存在无融合结籽[ 5] , 目前
尚无证据表明其匍匐茎的扩散能力能达到 5 m 以
上.因此 ,其克隆分株的较远距离的扩散 ,一方面可
能是靠其小球茎起一定作用 ,另一方面更主要的是
农田耕作所造成的结果.矮慈姑本身是农田杂草 ,耕
作对其居群的影响应该看作一种自然的过程 ,但它
们在没有这一影响发生时的克隆生长的空间格局还
有待于进一步研究.
无性繁殖与有性生殖两种繁育途径共同构成植
物的繁育系统(breeding sy stem),而这两种途径之
间的相互关系和相互作用是一个值得关注的重要问
题.汪小凡和陈家宽曾研究过慈姑属(Sagit taria)中
的矮慈姑及小慈姑(S .potamogeti folia)、野慈姑
(S .t ri fol ia)的交配系统 ,而前者的异交率估计值
仅为 49.9%,明显低于后二者[ 5 , 18～ 20] .据推测 ,矮
慈姑的较低的异交率可能是由于其匍匐茎克隆生长
导致的遗传异质性即等位基因的斑块化分布所导致
的.本研究结果表明 ,该种在自然状态下的确存在着
较高水平的克隆生长 ,从克隆生长的空间格局图上
可以直观地看出一些较大的基株的分株存在一定程
度的邻接关系 ,这种邻接关系势必导致居群水平的
遗传异质性从而使得异交率处于较低水平.但克隆
生长空间格局与交配系统之间的关系尚待进一步实
验的验证.
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Pattern of Clonal Growth in a Natural Population
of Sagittaria pygmaea Miq.(Alismataceae)
CHEN Jin-hua1 , 2 , WANG Xiao-fan1 , LU Ying-tang1
(1.College of Life Sciences , Wuhan University/Key Labo ratory of MOE for P lant Developmental Biology ,
Wuhan 430072 , Hubei , China;2.Depar tment of Biology , Xiaogan University , Xiaogan 432100 , Hubei , China)
　　Abstract:The clonal diversity and the spatial pattern in a natural populat ion of Sagit taria pygmaea M iq.
were determined by means of alleles analysis.A moderate level of clonal diversity w as estimated based on 23 alle-
les of 16 loci in 9 enzyme systems.The clonal diversity indexes were respectively:number of samples N=120 ,
number of genotype G=20 , average number of clones N c=6 , propo rtion distinguishable PD=1.666 7 , cloned
diversi ty of geno type Simpson s index D =0.849 6 , dist ributional uniformity of genotype Fager s index E =0.
837 1.The analysis of clonal structure demonst rated that there were obvious stag gers among clones of a natural
population of S .pygmaea , and the spatial pattern of clonal g row th w as a mixed clonal architecture.The archi-
tectures of ramet population included guerilla , phalanx and transi tio nal type betw een guerilla and phalanx .
Key words:Sagittaria pygmaea;clonal diversity;spatial pattern;natural population;allozyme
527第 4 期 陈锦华 等:矮慈姑自然居群的克隆生长格局