全 文 ：　第 44卷　第 2期　　　　　　　　　　　　 武汉大学学报 (自然科学版 )　　　　　　　 Vo l. 44　 No. 2　
　　 1998年 4月　　　　　　　　　　 J. Wuhan Univ. ( Na tural Science Edition)　　　 　　 1998, 217～ 220
小慈姑自然居群异交率的定量估测
⒇
汪小凡　陈家宽
(武汉大学生命科学学院 ,武汉 430072)
　　摘　要　用自然居群取样和单位点同工酶遗传标记的方法对小慈姑 ( Sagittaria potamogetifolia) 湖南茶陵居
群中两个亚居群的异交率作了研究 .密度较低的亚居群Ⅰ 与密度较高的亚居群Ⅱ的异交率估计值分别为 t—∧ Ⅰ =
( 81. 9± 24. 1)% 和 t—∧ Ⅱ = ( 50± 24. 5)% .作者认为 ,对雌雄同株的小慈姑而言 ,居群中一定水平的自交应归因于同
株不同花序间雌雄花的交配 ,异交率的高低不取决于居群密度而主要取决于同期开花花序在 2个或 2个以上的植株
的数量 .
关键词　小慈姑 , 自然居群 , 异交率
分类号　 Q 941
　　交配系统 ( ma ting system )作用于居群水平的
基因传递过程而对进化有着重要影响 . Clegg
( 1980)指出 ,进化遗传学研究的问题大致分为 3个
领域: 适应、变异和居群水平的基因传递过程 ,而基
因传递是居群内的交配方式从中促成的 [1 ] .异交率
( outcrossing rate)正是交配系统的特征参数 .由于
植物界中显示出了交配机制的较宽幅度的变化 ,研
究植物居群水平基因传递以至微观进化必须先对其
自交 /异交水平有所了解 .
本世纪 20年代 ,植物遗传学家就开始利用形态
学的遗传标记对交配系统参数作定量估计 [2 ] .本世
纪 70年代以来由于蛋白质电泳技术的运用和精心设
计的统计学模型的引入 ,在植物交配系统及其特征
参数的研究方面已有了大量的工作 [1, 3, 4 ] .进入本世
纪 90年代后 ,传粉生物学在中国受到关注 ,但对于传
粉过程所带来的结果—— 自交 /异交比例的研究在
国内还少有报道 .
本研究选择小慈姑 ( Sagittaria potamogeti fo-
l ia )为对象 ,尝试对其自然居群的异交率作定量估
测 .小慈姑为中国特有种 ,分布于广东、广西、福建、
江西、湖南等省区 .该种为泽泻科的水生多年生草本
植物 ,兼营有性生殖与营养繁殖 (营养繁殖体为珠
芽 ) ,花单性同株且为花序内雌花先熟 .陈家宽
( 1989) 已对其繁育系统及居群内、居群间变异作了
探讨 ,并认为该种是研究植物种下微观进化的极好
材料 [5 ] .交配系统方面的工作包括异交率的估计将
为揭示小慈姑种下变异与进化打下一个较好的基
础 .
1　材料与方法
本研究所考察和取样的小慈姑居群位于湖南省
茶陵县尧水乡湖里沼泽 ( 26°50’ N , 113°40’ E) .该沼
泽面积 0. 15 km2 ,海拔约 150 m ,生境较稳定 ,适宜
于水生、沼生植物生活 [6 ] .小慈姑生于沼泽周缘 ,所
选择的两个亚居群自然状况为:
亚居群Ⅰ : 位于沼泽东北部一块弃耕田中 ,集中
于约 60 m2的范围 .静水 ,水深 0～ 10 cm.植株较柔
弱 ,具 2个或 2个以上花序的植株较少 .平均花序密度
为 1. 2个 /m2 .
亚居群Ⅱ : 距亚居群Ⅰ不足 100 m ,位于一水沟
之较宽阔地段 ,面积不足 12 m2 .缓慢流水 ,水深 15
～ 30 cm.植株较粗壮 ,具 2个或更多花序的植株较多
.平均花序密度为 5. 0个 /m2 .
自本世纪 80年代以来 ,异交率定量研究常用多
位点估计法 [7, 8 ] ,但由于水生植物的无性系繁殖给选
⒇ 收稿日期: 1996-09-11.　汪小凡:男 , 32岁 ,博士
DOI : 10. 14188 /j . 1671 -8836. 1998. 02. 022
择标记位点带来困难 [9 ] ,本研究中异交率的估测采
用单位点遗传标记和经典的统计模型 [1, 3 ] ,但直接从
自然居群取样 ,模型作相应改动 .具体做法是:
①居群取样:在该居群的两个亚居群中随机取
已开花植株各 30～ 32株 ,每株用鲜叶 20～ 30 mg加
Tris-HCl提取缓冲液 50～ 60μL匀浆制取酶样 .植
株上的成熟聚合瘦果与酶样编同号保存 .
②同工酶遗传标记选择与亲本检测: 用聚丙烯
酰胺凝胶电泳法在适当条件下得到小慈姑样本的酯
酶、过氧化物酶、苹果酸脱氢酶的同工酶酶谱 ,选择
适当酶的适当位点 (明显而稳定的位点 )作为遗传
标记 ,统计亲本 (母本 )基因型频率 ,并推算花粉库
中雄配子体基因型频率 .
③子代检测:选择标记位点上为纯合型的亲本
(母本 )的成熟聚合瘦果 ,每一植株的全部瘦果作为
一个家系的成员 ,分别培养出幼苗至 2～ 4 mg鲜质
量 ,制成酶样 ,检测标记位点上的杂合率 .每个亚居
群检测 5个家系 ,每家系检测幼苗 20～ 40株 .
④异交率估计: 设亲代中标记位点上某一等位
基因的纯合型频率为 p ,该等位基因与其他等位基
因的杂合型频率为 r .假定每一植株 (已开花的 ) 对
花粉库的贡献率相等 ,则花粉库中该等位基因的频
率为 p+ r /2.如果该等位基因纯合型亲本的子代杂
合率为 h ,异交率 t的最大可能性估计值从下列模型
中获得:
t
∧
=
h
1 - (p + r /2)
( 1)
2　结　果
2. 1　遗传标记与亲本基因型频率
采用聚丙烯酰胺凝胶电泳 [分离胶浓度 10% ,
a b = 37. 5, pH 8. 8,胶板规格 120 mm(长 )× 104
mm(宽 )× 1 mm (厚 ) ;电极液为 Tris-甘氨酸缓冲
液 , pH 8. 3;稳压 250 V,电泳时间 3. 5 h ] ,对酯酶同
工酶 ( Est )染色 ,以 Est-2位点 (迁移率 R f= 0 . 36
～ 0. 43,图 1)作为遗传标记 .在整个居群中发现该位
点上共有 4个等位基因的表达: Ea2 ( Rf= 0. 36) , Eb2 ( Rf
= 0. 38) , E
c
2 ( Rf= 0. 40) , E
d
2 ( Rf= 0. 43) (见图 1) .两
个亚居群中各种基因型的频率见表 1.
图 1　小慈姑茶陵居群亲本及子代酯酶同工酶 ( Est )酶谱
5, 14, 15:基因型 Eb2Eb2; 1, 6, 7, 9, 11, 12:基因型 Ed2Ed2; 2, 13:基因型 Ea2Ed2; 3, 8, 10, 16～ 18:基因型 Eb2Ed2; 4:基因型 Ec2Ed2
表 1　小慈姑茶陵居群亲本 (母本 )及雄配子体 Est-2位点基因型频率
亚居群 母　　本
Eb2 Eb2 Ed2 Ed2 Ea2Ed2 Eb2Ed2 Ec2Ed2
雄 配 子 体
Ea2 Eb2 Ec2 Ed2
Ⅰ 0. 063 0. 046 0. 250 0. 250 0. 031 0. 125 0. 188 0. 016 0. 672
Ⅱ 0 0. 633 0. 067 0. 300 0 0. 033 0. 150 0 0. 817
218 武汉大学学报 (自然科学版 ) 第 44卷
2. 2　子代杂合率与异交率估计值
按上文所述电泳条件对两个亚居群的 Eb2 Eb2或
E
d
2 E
d
2型母本的子代幼苗检测出其杂合率 h ,并依公
式 ( 1)计算异交率估计值 t ,结果见表 2.可以看出 ,
亚居群Ⅰ 的异交率显著高于亚居群Ⅱ的异交率 .
表 2　小慈姑茶陵居群中两个亚居群的异交率估计
亚居群 家系 亲本基因型 亲本配子体基因型频率
p+ r /2
子代杂合率
h
异交率
t
∧
= h /( 1- p - r /2)
/%
异交率的平均值与标准差
( t
—∧ ± s) /%
Ⅰ
1 Eb2 E
b
2 0. 188 0. 471 58. 0
2 Ed2 Ed2 0. 672 0. 182 55. 5
3 Ed2 E
d
2 0. 672 0. 303 92. 4 81. 9± 24. 1
4 Ed2 Ed2 0. 672 0. 303 92. 4
5 Ed2 E
d
2 0. 672 0. 364 111. 0
Ⅱ
6 Ed2 Ed2 0. 817 0. 091 49. 7
7 Ed2 Ed2 0. 817 0. 051 27. 9
8 Ed2 Ed2 0. 817 0. 121 65. 7 50. 0± 24. 5
9 Ed2 Ed2 0. 817 0. 150 82. 0
10 Ed2 Ed2 0. 817 0. 045 24. 6
3　讨　论
3. 1　雌雄同株与异交率
按传统理解 ,植物性系统由两性花向单性花、雌
雄同株演化 ,再演化为雌雄异株 .这种演化被归因于
对回避自交的选择 . Heywood ( 1976) 也把雌雄同
株列为有性的、异体繁育机制 [10 ] .而 Bertin ( 1993)
认为 ,在雌雄同株和多数类型的雌雄异株的演化中 ,
回避自花受精的重要性可能小于其他因素如避免花
粉 -柱头干扰和资源配置的灵活性等 [11 ] .在非自交
不亲和的雌雄同株种类中 ,只要雌、雄花在成熟时序
上不完全隔离 ,花粉流动正常时个体内自交仍可发
生 .而在居群水平上讲 ,花内自交、花序内自交和个
体内自交的意义完全一样 .小慈姑虽为雌雄同株且
花序内雌花先熟 ,但其每一植株可产生数个花序 ,有
时较大的植株中可同时有 2个或更多花序开花 ,因而
自交不可避免 .本研究所得结果即小慈姑茶陵精确
度异交率在 50%～ 80% (自交率 20% ～ 50% )应在
情理之中 .
3. 2　关于小慈姑居群内的异交率差异
许多作者倾向于把一个种的交配系统看作不变
的 ,但这一假想并未得到已有证据的支持 [12 ] . Ham-
rick ( 1982)列举了许多实例说明同一种的居群与
居群之间、个体与个体之间、花与花之间以及不同时
间、不同密度时异交率的差异 .其中 Brown等
( 1975)所报道的 Eucalyptus obl iqua居群内异交率
变化幅度为 16. 7%～ 133. 3% ; Strand等 ( 1978)也
报道了向日葵 ( Helianthus annuus )在不同密度下
异交率从 54. 0%到 91. 0% 的变化 [9 ] .有于生境的异
质性 ,居群内每个局部的异交率也会有所不同 ,本研
究从小慈姑茶陵居群所得出的结果正说明了这一点
.但这一结果仍然多少有些出乎意料:一般来说 ,由
于花粉流距离有限 ,较高密度有利于异交 ,而该居群
中密度较高的亚居群的异交率反而较低 .对此 ,作者
的解释是:
首先 ,只要居群密度高于一个临界值 ,异交率受
密度影响不大 .据作者观察 ,访花昆虫在小慈姑居群
中的飞行距离可随居群密度变化作一定程度的调节
.对小慈姑而言 ,影响异交率的更为重要的因素可能
是植株上的平均花序数尤其是同期开花的花序数 .
亚居群Ⅱ所处水、肥条件较好 ,植株粗壮 ,每株花序
数较多 ,因而个体内自交的机会较多 .
其次 ,居群内基因型分布的异质性会导致异交
率估计值的偏低 . Ennos和 Clegg ( 1982)认为居群
内的亚结构化对异交率的估计有影响 .他们以 Ipo-
moea purpurea的实验居群所作的试验表明 ,基因
型呈板块式分布时比随机分布时异交率估计值显著
偏低 [13 ] .作者所研究的小慈姑的亚居群Ⅱ处于流动
水体 (水沟 )中 ,种子流失多而珠芽繁殖所占比重
较大 ,因此易于造成居群内基因型的板块式分布 ,从
而使得异交率的估计值较低 .
作者在进一步工作中将对小慈姑居群中基因流
范围、每植株花序数量和珠芽数量以及它们与异交
219第 2期 　　　　　　　　　汪小凡等: 小慈姑自然居群异交率的定量估测
率的关系作较为深入的探讨 .
参 考 文 献
1　 Clegg M T. Measuring plant mating sy stem. Bio-
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3　 Jain S K. Estimation of outcro ssing r ate: Some a l-
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5　陈家宽 . 中国慈姑属的系统与进化生物学研究 . 武
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6　汪小凡 , 陈家宽 . 湖南境内珍稀、濒危水生植物产地
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pendent lo ci. He redity , 1981, 47: 35～ 52
8　 Shaw D V , Kahler A L, Allard R W. A multilo cus
estima to r o f mating sy stem parameters in plant
popula tions. Pr oc Natl Acad Sci USA , 1981, 78:
1 292～ 1 302
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12　 Hamrick J L. Plant popula tion genetics and evolu-
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13　 Ennos R A, Clegg M T. Effect o f popula tion sub-
structuring on estimates o f outcro ssing rate in plant
popula tions. Heredity , 1982, 48( 2): 283～ 292
QUANTITIVE ESTIMATES OF OUTCROSSING RATES
IN A NATURAL POPULATION OF SAGITTARIA POTAMOGETIFOLIA
Wang Xiaofan, Chen Jiakuan
( Colleg e of Life Sciences, Wuhan Univ er sity , Wuhan 430072, China)
　　 Abstract　 The outcro ssing rates of tw o subpopulations in a popula tion of Sagit taria potamogeti folia
were estima ted by sampling from na tural habi tats and using sing le g enetic ma rker locus. The value of sub-
populationⅠ ( t—∧ Ⅰ = ( 81. 9± 24. 1)% ) is remarkably higher than tha t of subpopula tionⅡ ( t—∧ Ⅱ = ( 50. 0±
24. 5)% ) , while subpopulationⅡ had a higher densi ty. Fo r the monoecius spicies S. potamogeti folia , a
ra te o f selfing in a popula tion should be due to the pollina tion betw een di fferent inflo rescences of same
plant , and the lev els of self ing /outcro ssing in populations should be dependent on the f requency o f the in-
dividuals with mo re than tw o inf lo rescences.
Key words　Sagit taria potamogetifol ia, na tural popula tion, outcrossing ra te
220 武汉大学学报 (自然科学版 ) 第 44卷