全 文 ：根茎禾草沙鞭的等位酶变异及克隆多样性
1王可青　1葛　颂　2董　鸣
1(中国科学院植物研究所系统与进化植物学开放实验室　北京　100093)
2(中国科学院植物研究所植被数量生态学开放实验室　北京　100093)
摘要　沙鞭(Psammochloa villosa (Trin.)Bor)是禾本科的一种沙生旱生植物 , 靠根茎进行无性生殖。采用 10 种酶系
统共 15个基因位点对中国科学院植物研究所内蒙古伊克昭盟鄂尔多斯沙地草地生态研究站的 4 个天然居群进行
了遗传结构和克隆多样性分析。结果表明 , 和同类植物相比 , 沙鞭的遗传变异水平和克隆多样性均较低。沙鞭 4 个
居群的遗传组成明显不同。石龙庙流动沙丘和石灰庙固定沙丘的基株数目多 ,遗传变异水平较高 ,而石龙庙固定沙
丘和石灰庙半流动沙丘的基株数目少 ,只有 1 株或 2株 ,且多样性水平极低。环境差异在沙鞭的等位酶变异上未得
到反映。和其它克隆植物相似 , 沙鞭的大部分变异存在于居群间(GST=62.16%), 居群内变异所占比例较少。沙鞭
91.67%的基因型属地方型 ,无广布基因型。
关键词　沙鞭 ,克隆植物 , 等位酶 ,居群遗传结构 , 克隆多样性
Allozyme Variance and Clonal Diversity in the Rhizomatous
Grass Psammochloa villosa (Gramineae)
1WANG Ke-Qing　1GE Song　2DONG Ming
1(Laboratory of Systematic and Evolutionary Botany , Institute of Botany , The Chinese Academy of Sciences , Beijing 100093)
2(Laboratory of Quant itative Vegetation Ecology , Inst itute of Botany , The Chinese Academy of Sciences , Bei jing 100093)
Abstract　Psammochloa villosa (Trin.)Bor(Gramineae)is a rhizomatous grass with characteristic sand fixa-
tion.Ten enzymes encoded with 15 allozymic loci were used to examine the genetic structures of four natural
populations in Inner Mongolia from different habitats.Electrophoretic data indicated that P.villosa had lower
genetic variation(He=0.104)and lower clonal diversity (D =0.764)than other similar plants.Genetic
compositions of the 4 populations were different.In Shilongmiao mobile dune and Shihuimiao fixed dune there
were more genotypes and higher levels of variation than in Shilongmiao fixed dune and Shihuimiao semi-mobile
dune.Just like other clonal plants , most genetic variation of P .villosa resided among populations (GST=
62.16%).Most genotypes were local , and there were no spread genotypes.Factors contributed to the genetic
structure are herein discussed.
Key words　Psammochloa villosa , Clonal plant , Allozyme , Population genetic structure , Clonal diversity
　　影响植物居群遗传结构的因素有多种 ,包括物
种的遗传变异水平 、繁育系统 、种子散布机制以及小
生境水平上的自然选择等[ 1] 。物种的繁育系统既包
括有性生殖 ,也包括无性生殖 ,是影响居群遗传结构
的主要因素之一 。无性生殖习性是植物界普遍存在
的一种现象 ,具无性生殖习性的植物(以下称克隆植
物)具有可塑性强 、繁殖速度快的特点 ,常可在短期
内占据各种不同生境 ,尤其是不良环境[ 2] ,对物种的
生存具有重要意义 。尽管迄今对以有性生殖进行繁
育的物种的遗传结构研究较多 ,但针对克隆植物所
开展的研究仍十分有限 ,对克隆植物遗传多样性水
平及其适应意义仍有较大争议[ 3 ～ 6] 。沙鞭为禾本科
的单种属沙鞭属 Psammochloa Hitchc.的多年生草
本 ,分布于我国陕西 、宁夏 、甘肃 、青海 、新疆和内蒙
古等省区和蒙古国境内 。该种具发达的根状茎 ,并可
靠此行无性生殖(营养生殖),具有很强的建群能力 ,
为沙地和沙化草地的先锋植物 ,对流动沙丘有很强
的适应性 ,为沙地植物群聚的优势种 , 是典型的旱
生 、沙生植物[ 7 ,8] 。染色体计数表明该种为四倍体
(另文报道)。本研究采用等位酶电泳技术 ,对毛乌素
沙地的沙鞭居群进行了遗传多样性研究 ,以期了解
该物种的遗传多样性水平和居群遗传结构 ,为进一
中国科学院生物科学和技术研究特支费(财政部专项)(STZ-1-10)资助项目。Supported by the Grant for Biological Science and Technology , the Chi-
nese Academy of Sciences(STZ-1-10).
收稿日期:1998-01-06　接受日期:1998-06-05
植　物　学　报　1999 , 41(5):537 ～ 540
Acta Botanica Sinica
步揭示克隆植物与沙生环境的关系及其潜在的进化
意义提供资料。
1　材料和方法
1.1　实验材料
研究材料沙鞭(Psammochloa villosa (Trin.)Bor)
取自位于中国科学院植物研究所内蒙古伊克昭盟鄂
尔多斯沙地草地生态研究站的 4个地点 ,即:石龙庙
基地和石灰庙基地各自的一个流动沙丘和固定沙丘
上 。两基地间相距约 50 km 。石龙庙基地的两个样地
间相距约 300 m ,石灰庙基地的两个样地间相距约
400 m。采样以居群方式进行 ,每个居群的面积约为
400～ 1 600 m2 。这些居群的生境特点和每个居群的
采样分株数详见表 1。将新鲜叶片带回后迅速研磨
提取 ,提取液采用 Tris-Maleate 缓冲液配方[ 9] 。将蘸
有酶提取液的滤纸条存于-80 ℃冰箱备用。
表 1　沙鞭 4 个居群的采集地点 、生境和分株数
Table 1　Localities , habitats and sampling sizes in 4 sampled populations of Psammochloa villosa
Population number Locality Habitat Sampling size
N1 Shilongmiao , Yijinhuoluo Banner , Inner Mongolia Mobile dune 30
N2 Shilongmiao , Yijinhuoluo Banner , Inner Mongolia Fixed dune 44
O1 Shihuimiao , Yijinhuoluo Banner , Inner Mongolia Semi-mobile dune 43
O2 Shihuimiao , Yijinhuoluo Banner , Inner Mongolia Fixed dune 41
1.2　等位酶电泳
采用水平切片淀粉凝胶电泳方法[ 10] ,检测了沙
鞭15个酶系统 。其中 10种酶系统的显色正常且表
现出清晰的谱带 ,这 10种酶系统分别是:天冬氨酸
转氨酶(AAT)、乙醇脱氢酶(ADH)、还原型辅酶 Ⅰ心
肌黄酶(DIA)、异柠檬酸脱氢酶(IDH)、苹果酸脱氢
酶(MDH)、苹果酸酶(ME)、6-磷酸葡萄糖脱氢酶
(PGD)、磷酸葡萄糖异构酶(PGI)、磷酸葡萄糖变位
酶(PGM)和莽草酸脱氢酶(SKD)。其中 AAT 、DIA 、
PGI和 PGM 用 6号电极缓冲液系统(硼酸钠/Tris-柠
檬酸)进行分离;其他的酶系统用 1号电极缓冲液
系统(柠檬酸三钠/组氨酸)进行分离。电极缓冲液及
酶染色液根据王中仁[ 10]和Soltis等[ 9]的配方稍作改
动。淀粉(Sigma公司生产)凝胶的浓度为 12%。酶位
点从阳极到阴极依次用 1 、2 表示 ,每个位点的
等位基因从阳极到阴极依次用 a 、b 表示。
1.3　统计分析
为便于和其他植物进行比较 ,我们计算了反映
居群遗传变异水平和克隆多样性的几种常用度量指
标。这些指标的意义及其计算方法详见有关文
献[ 10 ～ 14] 。
1.3.1　度量居群遗传变异水平和遗传结构的指标
　1)多态位点百分率 P 我们采用具有两个以上等
位基因且每个等位基因的频率不大于 0.99的标准;
2)每个位点平均等位基因数 A;3)平均期望杂合度
He[ 11] ;4)基因分化系数 GST[ 11] 。
1.3.2　测定克隆多样性的指标　1)每个居群的实
际基株数目(或基因型数目)G;2)平均克隆大小 Nc
=样本数/G;3)基因型比率(proportion distinguish-
able)PD =G/样本数;4)Simpson指数 D[ 12] ;5)居
群内基因型分布的均匀度 E[ 13] 。
2　实验结果
2.1　等位酶分析
通过酶电泳谱带式样的分析 ,共获得 15个等位
酶位点的图谱 ,其中 Aat-1 、Adh 、Dia-1 、Idh 、Mdh-1 、
Mdh-2 、Me 、Pgd-1 、Pgi-1 、Pgi-2 、Pgm 为单态位点 ,只
有Mdh-3 、Pgd-2 、Pgi-3 、Skd 为多态位点。其中 Pgi-3
有 4个等位基因 ,Skd 、Mdh 和Pgd-2分别有 2个等位
基因 。Pgi-3中的 d 基因为稀有基因 ,只在石灰庙基
地半流动沙丘(O1)的一个个体里出现。Pgd-2中的
b基因只在石灰庙基地固定沙丘(O2)里出现 ,但频
率却超过在其他 3个居群中唯一表达的 a 基因 。其
他 8个等位基因在两个或两个以上的居群内出现。
石龙庙基地的流动沙丘(NI)和固定沙丘(N2)的
MDH 酶谱一致 ,石灰庙基地的半流动沙丘(O1)和固
定沙丘(O2)的 MDH 酶谱一致 ,石龙庙基地流动沙
丘(N1)的大部分个体和固定沙丘(N2)的 SKD酶谱
一致 ,石灰庙半流动沙丘(O1)和固定沙丘(O2)的
SKD酶谱一致 。实际上 ,石龙庙固定沙丘居群的所有
酶谱变化都在同一地点的流动沙丘居群的变化范围
之内 。由此可以看出 ,石龙庙流动沙丘(N1)与固定
沙丘居群(N2)、石灰庙半流动沙丘(O1)和固定沙丘
居群(O2)的遗传距离较近 ,石龙庙各居群与石灰庙
各居群之间的遗传距离较远 。遗传距离和地理位置
远近呈正相关关系(r=0 .851 3 , P <0.05)。
538　 植　　　物　　　学　　　报 41 卷
2.2　居群遗传变异
表2为各个基因位点的预期杂合度 He 。可以看
出同一居群的不同位点 、同一位点在不同居群里的
He均不相同 ,说明位点间 、居群间存在着较大差异。
根据反映遗传变异水平的 3 个指标(表 3),石
龙庙流动沙丘(N1)和石灰庙固定沙丘(O2)的每个
位点平均等位基因数 A 较高 ,分别为 1.267和 1.2 ,
石龙庙固定沙丘(N2)和石灰庙半流动沙丘(O1)的
A值很低 ,只有 1.067。石龙庙流动沙丘(N1)的多态
位点百分率最高 ,为 20%,其次为石灰庙固定沙丘
(O2),为 13.33%, 而石龙庙固定沙丘(N2)和石灰
庙半流动沙丘(O1)只有 6.67%的位点为多态 。平均
预期杂合度 He 又称基因多样度[ 9] ,可以很好地反
映居群的变异程度 。石龙庙流动沙丘(N1)的 He (0.
074)最高 ,石灰庙固定沙丘(O2)(0.056)次之 ,石龙
庙固定沙丘(N2)的 He(0.025)较低 ,石灰庙半流动
沙丘(O1)的 He(0.002)最低。从居群分化程度指标
GST来看 ,沙鞭总群体中 62.16%的遗传变异存在于
居群间 ,居群内变异所占比例不足一半 ,说明居群分
化十分明显 。
表 2　沙鞭 4 个多态位点的预期杂合度
Table 2　Average expected heterozygosity data of 4 allozyme loci of Psammochloa villosa
　　　　　　　　　　　　　　Population1)
Locus N1 N2 O1 O2 Total
Mdh-3 0.375 0.375 0.000 0 .000 0.219
Pgd-2 0.000 0.000 0.000 0 .284 0.328
Skd 0 ,340 0.000 0.000 0 .000 0.494
Pgi-3 0.396 0.000 0.023 0 .559 0.513
1)Population numbers are the same as in Table 1.
表 3　沙鞭 4 个居群的遗传变异和克隆多样性
Table 3　Genetic variation and clone diversity in 4 populations of Psammochloa villosa
Population1) A P He G Nc PD D E
N1 1.267 20.00 0.074 4 7.50 0.133 0.579 0.662
N2 1.067 6.67 0.025 1 44.00 0.023 0.000 NA 2)
O1 1.067 6.67 0.002 2 21.50 0.047 0.047 0.000
O2 1.200 13.33 0.056 6 6.83 0.146 0.665 0.696
Total 1.400 26.67 0.104 12 13.17 0.076 0.764 0.798
1)The population numbers are the same as in Table 1;2)NA=not applicable.
2.3　克隆多样性
沙鞭的克隆多样性见表 3。共测出 12 种基因
型。石灰庙固定沙丘(N2)最多 ,有 6种基因型 ,其次
为石龙庙流动沙丘(N1),有 4种基因型 ,石龙庙固
定沙丘(O2)最少 ,只有 1种 ,该基因型也出现在附
近的流动沙丘中 。石龙庙流动沙丘(N1)和石灰庙固
定沙丘(O2)的每个样本的基因型比率较大 ,分别为
0.133和 0.146 ,石龙庙固定沙丘(N2)和石灰庙半流
动沙丘(O1)的基因型比率较低 ,只有 0.023 和 0.
047。同样 ,石龙庙流动沙丘(N1)和石灰庙固定沙丘
(O2)的 Simpon指数(D)较高 ,分别为 0.579 、0.665 ,
而石龙庙固定沙丘(N2)没有多样性 ,整个居群只有
一种基因型 ,石灰庙半流动沙丘(O1)的 D 值仅为
0.047。从基因型分布的均匀程度 E看 ,石龙庙流动
沙丘(N1)(0.662)和石灰庙固定沙丘(O2)(0.696)的
分布远较石灰庙半流动沙丘(约等于 0)均匀 。若按
Elstrand and Roose[ 4]中地方基因型(genotypes occur-
ring in only one population)和广布基因型(genotypes
occurring in more than 75% of the populations)的标准 ,
沙鞭 91.67%的基因型为地方基因型 ,没有广布基
因型 。由此可看出不同居群的克隆多样性可以相差
很大 ,且基因型的地域性分布较强烈 。
3　讨论
3.1　沙鞭的居群遗传结构和克隆多样性
从反映居群遗传变异水平的各指标看 ,作为多
年生草本单子叶植物 ,沙鞭的遗传多样性水平(A=
1 .4 , P=26 .67 ,He=0 .104)明显低于其它单子叶植
物平均值(A=1 .66 , P=40 .0 , He=0 .144)[ 5]和其它
长寿多年生草本平均值(A=1 .79 , P =50 , He=0 .
149)[ 5] 。野外调查表明 , 沙鞭的有性生殖以自交为
主 ,但其遗传变异水平高于自交种的平均值(P=20.
0 , A=1.31 , He =0 .074)[ 5] , 这可能和沙鞭可以营
养生殖 、因而固定了较多的杂合子有关 ,故根据基因
频率计算出的 He 也相应较高 。沙鞭的居群分化非
常明显 ,GST远远高于同类型的其他植物[ 5] , 大概与
沙鞭的生殖方式(无性繁殖+自交)有很大关系 。
把沙鞭和其他克隆植物比较 ,基因型比率
(0 .076)较平均值(0 .17)[ 4]低 ,多克隆居群所占比例
(75%)与其它克隆植物(77%)[ 4]相当。石龙庙流动
沙丘和石灰庙固定沙丘的克隆多样性指数(D =
5 期 王可青等:根茎禾草沙鞭的等位酶变异及克隆多样性 539　
0 .579 , 0 .665)和基因型分布均匀度(E =0 .662 ,
0 .696)接近其他多克隆居群的平均值(D =0 .62 ,E =
0 .68)[ 4] ,但石龙庙固定沙丘和石灰庙流动沙丘的D
值和E 值远远低于该平均值 ,说明石龙庙流动沙丘
和石灰庙固定沙丘的多样性属中等水平 ,石龙庙固
定沙丘和石灰庙半流动沙丘的多样性水平极低 。和
其它克隆植物类似 ,沙鞭的大多数基因型属地方基
因型 ,居群分化强烈 。
3.2　遗传变异的产生和维持
自然界有许多兼性生殖植物 ,它们通过有性重
组 ,产生可供自然选择作用的遗传变异 ,通过无性繁
殖 ,可使带有新的有利基因型的个体迅速占领某个
地区[ 15] 。有证据表明 ,在天然居群中有少量基因流
和/或突变发生 ,遗传变异便可维持[ 4] ,因此克隆植
物可能会含有较多的遗传变异 。沙鞭以自交为主 ,通
过重组产生基因型的机会较少 , 其遗传变异水平相
对较低 ,现存的遗传变异有可能主要来自突变 。
单亲生殖系统 、遗传变异的贫乏 、明显的居群间
变异和高水平的多位点组合 ,已在许多克隆植物中
有报道[ 2] 。沙鞭各个居群的遗传组成不同。石龙庙固
定沙丘只有一个基株 ,其来源可能就是附近的流动
沙丘 。石灰庙基地的两个居群共享基因较多 ,但没有
共同的基因型 ,说明两者分化的时间比较长 ,各自已
产生了新的等位基因组合 。
环境的异质性可以导致某些克隆植物的多样
性[ 16 ,17] ,但它们之间并没有必然联系[ 15 ,18] 。一般地 ,
流动沙丘生境单一 ,固定沙丘生境较复杂 ,但沙鞭四
个居群的多样性水平和生境之间并无规律可循 ,无
论是遗传变异还是克隆多样性 ,石龙庙流动沙丘和
石灰庙固定沙丘的多样性水平都远远高于石龙庙固
定沙丘和石灰庙半流动沙丘 ,说明环境差异并未反
映在沙鞭居群的遗传多样性上 。
因为重复的克隆事件是许多入侵植物的特征 ,
和其它植物相比 ,遗传瓶颈 、建立者效应和遗传漂变
在影响遗传多样性方面可能起着更为重要的作用 。
此外 ,统计学 、生活史和生殖特征也影响着克隆植物
的遗传多样性水平[ 2] 。沙鞭 4个居群建群时可能只
有少数个体参与 ,加上含不同基因型的个体数目不
同 ,这在很大程度上影响了沙鞭的居群结构。因此沙
鞭的居群遗传结构和克隆多样性是多种因素的综合
结果 ,与这些居群的起源 、扩散方式和有性生殖大小
有密切关系 。
致谢　感谢李新荣博士和陈玉福先生在采样过程中
给予的帮助 。
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