全 文 :生物多样性 2005, 13 (5): 398–406 doi: 10.1360/biodiv.050133
Biodiversity Science http: //www.biodiversity-science.net
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收稿日期: 2005-06-10; 接受日期: 2005-07-18
基金项目: 国家重点基础研究发展规划项目(G2000046805)和国家自然科学基金项目(30370098)
* 通讯作者 Author for correspondence. E-mail:qfwang@whu.edu.cn
遗传多样性是生物多样性的核心, 保护生物
多样性最终是要保护遗传多样性(王洪新和胡志
昂, 1996)。一般所指的遗传多样性是指种内的遗
传多样性, 即种内个体之间或一个群体内不同个
体的遗传变异总和(钱迎倩和马克平, 1994)。对濒
危植物遗传多样性的研究不仅有助于了解物种的
进化历史以及濒危机制, 而且关系到能否采取科
学有效的措施来保护濒危物种 (Hamrick et al.,
1991)。
目前大多数对物种遗传多样性的研究主要集
中在较大的地理范围内, 例如, 在区域间、居群间
以及居群内个体间等。然而, 要想得到较全面的
遗传多样性信息, 对居群内家系间(母本个体)以
及家系内(子代)等较小范围内遗传多样性的研究
宽叶泽苔草居群内遗传多样性研究
陈进明 王青锋*
(武汉大学生命科学学院植物系统学与进化生物学研究室, 武汉 430072)
摘要: 采用RAPD分子标记对宽叶泽苔草(Caldesia grandis)湖南浪畔湖居群30个家系共180个子代样品进行了居群
内家系间以及家系内的遗传多样性分析。从100个随机引物中筛选出12个有效引物, 共产生112条带, 其中79条表
现出多态性, 占总条带数的70.5%。宽叶泽苔草各个家系多态位点百分率(PPB)在7.1%–40.2%之间。各个家系基因
多样性范围在0.02–0.14之间(家系水平的基因多样性为0.10), Shannon指数的范围在0.04–0.21之间(家系水平的
Shannon指数为0.18)。对宽叶泽苔草30个家系的AMOVA分析结果显示, 家系间的基因分化系数Gst = 0.231, 即总
的变异中有23.1%的变异存在于家系间, 家系内的遗传变异占总遗传变异的76.9%, 家系间和家系内变异均极显著
(P<0.001)。采用UPGMA法对宽叶泽苔草30个家系180个子代进行聚类的结果表明: 同一家系的子代个体并不能完
全聚在一起。基于家系间的遗传分化系数Gst对宽叶泽苔草30个家系间的基因流进行估测, 结果显示: Nm = 0.83, 表
明宽叶泽苔草各个家系之间有较高的基因流。
关键词: 分子变异, Caldesia grandis, 濒危植物, 家系, RAPD
Genetic diversity and structure in a natural Caldesia grandis population
Jinming Chen, Qingfeng Wang*
Laboratory of Plant Systematics and Evolutionary Biology, College of Life Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072
Abstract: Genetic diversity in a natural Caldesia grandis population in Hunan Province was assessed using
RAPD markers. A total of 180 individuals from 30 maternal plants were assayed. Of the 100 RAPD prim-
ers screened, twelve produced highly reproducible bands. Using these primers, a total of 112 DNA frag-
ments were generated with 79 (70.5%) being polymorphic. Analysis of molecular variance (AMOVA)
show that a large proportion of genetic variation (76.9%) resided within families, while only a small pro-
portion (23.1%) resided among families. Shannon index showed that total genetic diversity of maternal
plants was 0.18, which was identical with the result of analysis of Nei’s gene diversity. NTSYS analysis
indicated that the individual offspring from a single maternal plant could not be clustered together com-
pletely. The estimate of gene flow (Nm) among maternal plants was 0.83, indicating high gene flow among
the maternal plants.
Key words: AMOVA, Caldesia grandis, endangered plant, family, RAPD
第 5 期 陈进明和王青锋: 宽叶泽苔草居群内遗传多样性研究 399
也十分必要(顾万春等, 1998; Sun et al., 2001; 李
斌和顾万春, 2004)。因为家系是种内遗传变异的
重要组成部分(李斌和顾万春, 2004), 家系内的遗
传变异是居群内以及居群间遗传变异的重要来
源, 是潜在的遗传多样性, 尤其是当一个物种的
有效居群较小, 即使所有的个体都纳入保护计划
也不能有效保持较高的遗传多样性的时候, 保护
家系内(子代)的遗传变异就显得尤为重要。
遗传分化系数是剖析和衡量不同变异来源的
遗传多样性及其重要程度的指标, 是了解种内遗
传结构的重要参数(李斌和顾万春, 2004)。目前大
多数研究集中在群体间遗传分化 (Hamrick &
Godt, 1990; Ge et al., 1998), 对家系遗传分化很
少报道(Sun et al., 2001; 李斌和顾万春, 2004)。对
家系遗传分化的研究不仅可以揭示居群内基因流
动状况 , 同时可为研究微生态环境因子对家系
(即居群内个体间)遗传分化的影响提供资料(Sun
et al., 2001)。
宽叶泽苔草(Caldesia grandis )是多年生挺水
草本植物 , 隶属于泽泻科 (Alismataceae)泽苔草
属。泽苔草属已知共包含3个种: 宽叶泽苔草(C.
grandis)、泽苔草(C. parnassifolia)和C. oligococca,
均分布在东半球。其中中国分布的有宽叶泽苔草
和泽苔草两种。据标本记载, 宽叶泽苔草历史上
曾分布在中国和东喜马拉雅一带海拔1000–1500
m左右的山地沼泽中(Cook, 1996),在中国曾分布
于湖南、湖北、广东、云南以及台湾省(Gituru et al.,
2002)。由于生境遭到破坏, 其种群数量以及种群
规模不断减小 , 曾一度被认为从中国大陆消失 ,
直到林祁和刘克明(1997)在湖南莽山国家级自然
保护区再次发现。目前, 宽叶泽苔草在中国仅存4
个野生居群 , 其中2个在湖南莽山国家级自然保
护区内, 1个在云南腾冲县境内, 另外1个分布在
台湾。现存居群的规模均较小, 在台湾分布的居
群仅存不足50株 , 已属濒危植物 (Gituru et al.,
2002)。
宽叶泽苔草是一个自交亲和的物种, 同时具
有有性繁殖和无性繁殖两种繁殖方式。有性繁殖
时自交或异交均能产生种子; 无性繁殖则主要靠
花序上产生珠芽, 珠芽脱落后形成新的植株。宽
叶泽苔草在开花期(7–9月)能产生很多的花, 为虫
媒传粉植物, 有效传粉昆虫为蜂类, 如Insecta和
Hymenoptera等,种子的传播主要靠水流(Gituru et
al., 2002)。
本文对湖南莽山国家级自然保护区浪畔湖的
宽叶泽苔草居群内家系间及家系内的遗传多样性
进行了RAPD分析, 以揭示家系内遗传多样性水
平以及遗传变异在家系间的分布状况, 以期为确
定宽叶泽苔草核心种质样本保存策略提供依据 ,
同时也为该濒危植物的遗传育种提供基础。
1 材料与方法
1.1 材料来源
供试材料于2004年9月份取自浪畔湖居群。在
取样时从该居群选取了相互之间距离在3 m以上
并且果实全部成熟的30个植株, 收集植株上成熟
的瘦果, 每植株抽取6个瘦果, 用每一瘦果中的胚
作为子代样本。本研究共取得180个子代样本。凭
证标本存于武汉大学植物系统学与进化生物学研
究室。
1.2 DNA提取及PCR扩增
参试材料胚DNA的提取步骤如下 : 配制1
mL 提 取 缓 冲 液 (200 mmol/L Tris-HCl, 2.50
mmol/L NaCl 和 25 mmol/L EDTA) , 加 5%(5
μL)SDS和20%(20 μL)巯基乙醇。在解剖镜下将宽
叶泽苔草每家系的瘦果中的胚取出, 置于1.5 mL
的离心管中, 加少量石英砂, 用自制的研磨棒将
胚研磨成粉末状, 然后加400 μL 上述提取液, 65
℃水浴加热1 h, 在此过程中每隔10 min摇匀一
次。将样品13 000 rpm离心5 min后取上清液置于
另一1.5 mL离心管中。每一离心管中加300 μL冰
冻异丙醇, –20℃冰冻处理30–50 min。取出离心管
13 000 rpm离心5 min后弃上清, 收集沉淀, 白色
沉淀即为DNA。用70%酒精洗涤上述沉淀2次, 然
后用无水乙醇洗涤1次。加入50 μL TE缓冲液(1
mmol/L Tris-HCl + 0.1 mmol/L EDTA)溶解DNA。
电泳检测, 凝胶成像系统照相。
RAPD引物购自上海Genbase公司, 为十聚体
寡核苷酸随机引物。 PCR试剂购于武汉天源生物
公司。本实验共选用了100个RAPD随机引物, 每
个引物对随机选用的8个DNA样品进行引物筛选
扩增, 重复2次。依据扩增结果, 对比可重复性、
多态性后, 筛选确定了扩增效果良好的12个引物,
其序列见表1。
400 生 物 多 样 性 Biodiversity Science 第 13 卷
PCR 反 应 体 系 及 反 应 程 序 见 陈 进 明 等
(2004)。PCR反应产物在 4℃下保存。在1.5%的
琼脂糖凝胶上, 90 V稳压电泳, 溴化乙锭处理后
置于紫外光灯下检测, 用凝胶成像系统拍照, 将
图像存入计算机待分析。以200 bp Marker 作为标
准分子量对照 (200 bp DNA Ladder, Tian Yuan
Biotech. Co., Ltd.)(图1)。
1.3 数据统计分析
电泳图谱中的每条DNA谱带作为1个单位 ,
如果有带(包括弱带)则定为“1”, 没有带则定为
“0”。统计条带时认为电泳迁移率相同的条带是
扩增基因组上的相同DNA片段的产物。
采用POPGENE Version1.31软件(Yeh et al.,
1997)对全部家系以及单个家系分别计算了多态
位点百分率 (percentage of polymorphic bands,
PPB) 、各个水平的 Shannon 指数 (I)(Lewontin,
1972), 此外还计算了基因多样性(H)以及居群内
各家系间的 Nei’s 遗传距离 (Nei, 1978), 并用
UPGMA方法对各个家系进行了聚类分析。
为了了解遗传多样性的分布, 本文根据欧几
里德遗传距离矩阵(Excoffier et al., 1992)对宽叶
泽苔草家系间以及家系内的分子变异进行分析
(AMOVA)。以上分析采用WINAMOVA1.55 软件
(Excoffier, 1993) 。 该 软 件 的 输 入 文 件 由
AMOVA-PREP软件(Miller, 1998)制作。显著性检
验是通过1000次置换。
各个家系间的基因流的定量估测是通过各个
家系间遗传变异的相对量进行, 即Nm = (1–Gst)/
4Gst (Wright, 1978)。
为了了解各家系内子代个体的亲缘关系, 本
文根据Nei’s(1978)遗传距离系数采用NTSYSpc
2.02(Rohlf, 1998)软件对所有的子代样品进行了
UPGMA聚类。
2 结果
从100个随机引物中筛选出12个引物进行扩
增, 共得到112条带, 其中79条表现出多态性, 占
总带数的70.5%, 平均每个引物扩增的DNA带数
为 9.3 条 ( 表 1 和表 2) 。位点分子量范围均在
200–2000 bp之间(图1)。各个家系多态位点百分率
(PPB)在7.1%–40.2%之间。各个家系基因多样性
指数范围在0.02–0.14之间 , Shannon指数的范围
在0.04–0.21之间(表2)。各个家系基因多样性与其
Shannon指数的结果基本相符(表2)。
基于Nei’s遗传距离对各个家系的分析结果
表明 : 各个家系之间遗传距离介于 0.0028和
0.0829之间(本研究所得各个家系间的遗传距离
数据未列出)。30个家系之间的遗传关系见图2。
表1 本研究所选的有效引物名称、序列及其扩增的结果
Table 1 Name, sequences and amplifications of the effective primers used in the present study
引物名称
Primer
序列 (5–3′)
Sequences (5–3′)
扩增的条带数
No. of bands scored
P-B03 CTCCCTGAGC 6
P-B08 TTCCCGGAGC 6
P-B09 TTCCGGGTGC 11
P-D01 GCTGTAGTGT 9
P-D02 CGCACCGCAC 12
P-D09 GAGCCCGTAG 14
P-D10 CGATTCAGAG 9
P-D14 CCAAGATGCT 8
P-D17 CCAATTCACG 9
P-D19 ACGACGTAGG 12
P-C10 TAGCCCGCTT 8
P-C15 TTCCGCGGGC 8
第 5 期 陈进明和王青锋: 宽叶泽苔草居群内遗传多样性研究 401
AMOVA分析结果表明30个家系间的基因分
化系数Gst = 0.231, 即总的变异中有23.1%的变异
存在于家系间, 家系内的遗传变异占总遗传变异
的 76.9%, 家 系 间 和 家 系 内 变 异 均 极 显 著
(P<0.001)(表3)。采用UPGMA法对宽叶泽苔草30
个家系180个子代进行聚类结果表明: 同一家系
的子代个体并不能完全聚在一起(图3)。
基于家系间的遗传分化系数Gst, 对宽叶泽苔
草30个家系间的基因流估测 , 结果表明 : Nm =
0.83。
3 讨论
以往的研究普遍认为水生植物的遗传多样性
比陆生植物低(Les, 1988; Barrett et al., 1993), 但
有些研究表明在水生植物居群内也同样存在很高
的遗传多样性(Lokker et al., 1994; Angel, 2002)。
本文的研究结果显示浪畔湖宽叶泽苔草居群在家
系水平上具有较高的遗传多样性, 12个RAPD引
物共产生79个多态位点 , 多态位点百分率(PPB)
为70.5%, 高于采用RAPD分子标记对其他水生植
B
C
M
Family4 Family3 Family2 Family1
M
Family4 Family3 Family2 Family1
A
M
Family4 Family3 Family2 Family1
图1 引物P-B08(A)、P-B09(B)和P-D10(C)对宽叶泽苔草4个家系材料的RAPD扩增谱带(M:200 bp DNA Ladder, Tian
Yuan Biotech. Co., Ltd.)
Fig. 1 RAPD profiles of Caldesia grandis samples generated with primers P-B08 (A), P-B09 (B) and P-D10 (C). M, 200 bp
DNA ladder (Tian Yuan Biotech. Co., Ltd).
402 生 物 多 样 性 Biodiversity Science 第 13 卷
表2 宽叶泽苔草家系遗传多样性的RAPD分析结果(括号内为标准差)
Table 2 RAPD analysis of genetic diversity in families of Caldesia grandis. Numbers in parentheses indicating standard deviations
家系
Family
多态性条带数
Number of polymorphic bands
多态位点百分率
PPB
基因多样性
H
Shannon 指数
I
fam1 15 13.4 0.05 (0.13) 0.07 (0.19)
fam2 10 8.9 0.03 (0.10) 0.05 (0.15)
fam3 19 17.0 0.05 (0.11) 0.08 (0.18)
fam4 17 15.2 0.05 (0.13) 0.08 (0.20)
fam5 11 9.8 0.04 (0.11) 0.05 (0.17)
fam6 18 16.1 0.06 (0.14) 0.09 (0.21)
fam7 13 11.6 0.04 (0.12) 0.06 (0.17)
fam8 29 25.9 0.10 (0.17) 0.14 (0.25)
fam9 32 28.6 0.09 (0.16) 0.15 (0.24)
fam10 14 12.5 0.04 (0.12) 0.07 (0.18)
fam11 12 10.7 0.04 (0.12) 0.06 (0.18)
fam12 10 8.9 0.03 (0.11) 0.05 (0.16)
fam13 27 24.1 0.07 (0.13) 0.12 (0.21)
fam14 11 9.8 0.04 (0.12) 0.06 (0.17)
fam15 8 7.1 0.02 (0.08) 0.04 (0.13)
fami16 9 8.0 0.03 (0.11) 0.05 (0.16)
fam17 41 36.6 0.13 (0.18) 0.20 (0.27)
fam18 13 11.6 0.04 (0.12) 0.06 (0.17)
fam19 22 19.6 0.07 (0.15) 0.11 (0.22)
fam20 18 16.1 0.06 (0.14) 0.09 (0.21)
fam21 18 16.1 0.06 (0.14) 0.09 (0.21)
fam22 25 22.3 0.08 (0.15) 0.12 (0.23)
fam23 41 36.6 0.12 (0.17) 0.19 (0.26)
fam24 45 40.2 0.14 (0.18) 0.21 (0.26)
fam25 34 30.4 0.10 (0.16) 0.15 (0.24)
fam26 14 12.5 0.04(0.12) 0.07 (0.18)
fam27 31 27.7 0.10 (0.17) 0.15 (0.25)
fam28 17 15.2 0.05 (0.13) 0.08 (0.19)
fam29 42 37.5 0.13 (0.18) 0.20 (0.26)
fam30 24 21.4 0.08 (0.15) 0.11 (0.22)
家系间 Among families 79 70.5 0.10 (0.12) 0.18 (0.18)
表3 宽叶泽苔草30个家系共180个子代个体的分子变异分析(AMOVA)
Table 3 Analysis of molecular variance (AMOVA) of 180 individuals of Caldesia grandis from 30 families using RAPD
markers with degrees of freedom (d.f.), sum of squared deviation (SSD), percentage of variance components and significance
(P)
变异来源
Source of variation
自由度
d.f.
总方差
SSD
变异组分
Variance components
占总变异百分比
% of total variance
P
家系间 Among families 29 362.99 1.34 23.1 <0.001
家系内 Within families 150 669.17 4.46 76.9 <0.001
第 5 期 陈进明和王青锋: 宽叶泽苔草居群内遗传多样性研究 403
物遗传多样性的部分研究结果, 例如高于中华水
韭 (Isoetes sinensis)(PPB = 58.06%)(陈进明等 ,
2004), 也高于高寒水韭 (I. hypsophila)(PPB =
50%)(Chen et al., 2005)等。本文对宽叶泽苔草30
个家系的分子方差分析(AMOVA)表明, 23.1%的
遗传多样性存在于家系间, 而绝大部分的遗传变
异存在于家系内(76.9%), 说明家系之间遗传分化
较小。
我们根据家系间遗传分化系数计算出的基因
流 Nm=0.83, 高 于 水 生 植 物 的 平 均 值 0.552
(Hamrick & Godt, 1990)。基因流是影响植物遗传
结构的重要因子(Widen & Svensen, 1992), 可以
阻止种群内遗传变异的减少, 防止种群间的遗传
分化(Slatkin, 1987)。植物种群内和种群间的基因
fam 24
fam 1
fam 2
fam 3
fam 4
fam 8
fam 11
fam 10
fam 14
fam 5
fam 6
fam 7
fam 12
fam 13
fam 15
fam 16
fam 9
fam 18
fam 22
fam 27
fam 28
fam 20
fam 21
fam 25
fam 26
fam 29
fam 23
fam 30
fam 17
fam 19
0.1
图2 宽叶泽苔草30个家系Nei’s遗传距离的UPGMA聚类图 (家系代号同表2)
Fig. 2 UPGMA dendrogram for 30 families of Caldesia grandis based on Nei’s genetic distance. Family numbers corre-
spond to those in Table 2
404 生 物 多 样 性 Biodiversity Science 第 13 卷
流是借助于花粉、种子、孢子、植株个体以及其
他携带种群遗传物质的物体为媒介进行的
(Ellstrand, 1992)。对于宽叶泽沼草, 花粉的扩散
是家系间(母本植株间)基因流动的唯一形式。宽
叶泽苔草是自交亲合的物种, 同一母本植物自交
产生的子代应该是纯合型的。本研究显示宽叶泽
苔草家系间具有较高的基因流 , 从对30个家系
180个子代样品的UPGMA聚类图也可以看出, 同
一家系的子代不能完全聚在一起(图3)。因此, 可
以说明异交在该家系间占主要地位, 这与我们对
宽叶泽苔草异交率的定量估测结果相一致(异交
率tm为0.872, 未发表数据)。较高的异交率可能是
-0.38 -0.000.380.76 1.14
fam 1-1
fam 5-3
fam 2-4
fam 13-3
fam 11-5
fam 23-3
fam 18-1
fam 7-4
fam 28-4
fam 17-4
fam 30-2
fam 13-2
fam 21-2
fam 29-5
fam 1-4
fam 11-2
fam 19-5
fam 3-5
fam 7-5
fam 17-5
fam 12-2
fam 23-1
fam 9-2
fam 15-4
fam 15-3
fam 30-3
fam 16-4
fam 25-6
fam 4-6
fam 22-2
fam 25-5
fam 15-6
fam 25-4
fam 12-6
fam 29-1
fam 14-4
fam 15-1
fam 16-5
fam 22-6
fam 23-4
fam 13-6
fam 22-3
fam 14-6
fam 27-6
fam 25-3
fam 5-5
fam 27-5
fam 18-4
fam 14-2
fam 17-3
变异系数 Coefficient
图3 宽叶泽苔草30个家系中部分子代个体的UPGMA聚类图 (图中横线前字母及数字表示家系,横线后数字表示每
一家系中子代个体的编号)
Fig. 3 A UPGMA dendrogram of Caldesia grandis offspring based on RAPD markers. The first three letters and the fol-
lowing digits represent families and the last digit represents individual from each family
第 5 期 陈进明和王青锋: 宽叶泽苔草居群内遗传多样性研究 405
造成宽叶泽苔草家系中具有较高遗传多样性水平
的原因。
取样策略对居群的遗传结构有较大的影响 ,
对于异交植物, 居群间的地理距离往往影响居群
间遗传变异的分布(Nybom & Bartish, 2000)。克隆
生长常常导致空间遗传变异的斑块化(Barrett et
al., 1993), 不同的取样策略很可能会影响对克隆
植物居群遗传变异的评价。宽叶泽苔草具有无性
繁殖特性 , 作者对宽叶泽苔草浪畔湖居群的
RAPD遗传变异的空间分布进行的研究发现该居
群不存在明显的空间结构, 绝大多数的变异位点
呈随机分布模式(未发表数据), 因此 , 本文的取
样距离(各家系的距离在3 m以上)基本上可以保
证不对遗传变异完全相同的家系重复取样。
居群内的遗传多样性水平同时还受取样数目
的影响(Nybom & Bartish, 2000)。Persson等(1998)
研究表明居群内的基因多样性与取样的数目成正
比。由于本文对于每一家系而言, 取样数目较少
(每一家系6个子代样品), 因此, 这在一定程度上
可能影响本文的分析结果。
种群间的遗传分化与环境因子的选择和基因
流的阻隔有关。种群内部的基因流会影响居群的
遗 传 结 构 (Slatkin, 1985; Fischer & Matthies,
1998), 同时生态小环境的变异也可能导致不同
种 群 间 在 遗 传 结 构 上 的 差 异 (Turkington &
Harper, 1979)。本文对30个宽叶泽苔草母本植物
进行了UPGMA聚类 , 结果显示30个母本植物聚
成许多组(图2)。空间距离与遗传相似性没有明显
的对应关系, 因此可以说明在所研究的居群中通
过花粉实现的基因流足以能阻止地方性的分化 ,
这同时可以说明微生态环境因子如水位、水流以
及伴生种的竞争等对宽叶泽态草居群内个体间的
遗传分化可能有一定的影响。当然, 至于何种生
态因子影响宽叶泽态草居群内个体间的遗传分化
尚需要进一步的研究。
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