全 文 ：厦门木麻黄种群交配系统及近交衰退*
陈小勇1* * 林 鹏2
( 1 华东师范大学环境科学系, 上海 200062; 2厦门大学生物学系,厦门 361005)
摘要 木麻黄耐沙生、盐碱,是沿海优良的防护林树种. 从 20世纪 80 年代开始,木麻黄林呈现出衰退现
象.采用等位酶分析技术研究木麻黄种群的交配系统及近交衰退,木麻黄种群异交率为 0. 622, 表明为混
合交配类型, 与其亲缘种比较来看,引种降低了木麻黄异交率,增加了近交. 采用电泳数据间接估算的近交
衰退程度很高. 结果表明,引种过程中的建立者效应引起的近交及其后的近交衰退确实在木麻黄林衰退中
起了重要作用, 根据基因型有选择地引进木麻黄以减轻衰退.
关键词 异交率 近交衰退 引入种 木麻黄
文章编号 1001- 9332( 2002) 11- 1377- 04 中图分类号 Q347 文献标识码 A
Mating system and inbreeding retrogression of Casuarina equisetif olia plantation, an introduced species in Xi
amen. CHEN Xiaoyong1, L I Peng2 ( 1Depar tment of Envir onmental Science, East China Normal University ,
Shanghai 200062; 2Depart ment of Biology , Xiamen Univer sity , X iamen 361005) . Chin. J . A pp l . Ecol. ,
2002, 13( 11) : 1377~ 1380
Casuarina equisetif olia, an introduced species, is a g ood shelter species planted along coastlines due to its endur
ing sandy and saline habitats. Decline was, how ever, observed in C. equisetif olia plantations in many areas since
1980! s. Mating system and inbreeding retrog ression of a plantation o f C. equisetif olia in Xiamen and their roles
in the decline of C. equisetif olia forests were thus r esearched using allozyme technique. Multilocus outcr ossing
rate was 0 622, lower than t hat expected from related species, indicating a mixedmating system, and mo re in
breeding caused through this introduction. Calculations from electrophoresis data show ed that ver y a high in
breeding retrogression occur red in the C . equisetif olia plantation, indicating that inbreeding an its subsequent ret
rogression played an important ro le in the decline of C. equisetif olia plantation. Allev iating the decline through
genot ype speciesintroduction was also proposed.
Key words Outcrossing rate, Inbreeding retrogression, Introduced species, Casuar ina equisetif olia.
* 福建省自然科学基金资助项目( C97009) .
* * 通讯联系人.
2000- 01- 13收稿, 2000- 07- 21接受.
1 引 言
木麻黄( Casuar ina equisetif ol ia)是木麻黄科的
物种, 高可达 40m, 原产大洋洲、太平洋诸岛以及东
南亚、印度和波利尼西亚, 耐盐碱和贫瘠, 能和
Frankia 属放线菌共生, 形成根瘤, 有一定的固 N
能力,适应沙生生境, 是优良的沿海防护林树种[ 5] .
我国大陆引种木麻黄是从上世纪初开始的, 目前已
引种 10余种木麻黄属植物,但以木麻黄最多, 引种
时间最早. 木麻黄的引种和营造防护林有效地防止
了风沙危害,改善了沿海地区的自然环境,产生了显
著的生态和经济效益[ 5] . 20世纪 80年代以来, 很多
地方的木麻黄林出现了林分衰老、生长衰退、更新困
难、病虫害严重等问题.由于目前尚无能取代木麻黄
的树种,有关木麻黄防护林的衰退问题受到多方重
视,并提出多种解释和解决方案,但均不能有效地加
以解决[ 5] .
物种引入是物种在新生境中建立一个新的种
群,也就是说经历了一个 ∀ 建立者事件 ( founder
event )#. 建立者事件会对新建立种群的遗传结构和
交配系统产生很大的影响,例如直接降低种群的遗
传多样性,近交以及遗传漂变降低遗传变异,引起近
交衰退,降低种群的适合度等,从而影响新建种群的
长期存在.
交配系统是指控制配子及其结合形成合子的所
有属性, 也是影响种群遗传结构的重要因素[ 1] . 近
交衰退则是指由于近交(自交和亲缘个体间的异交)
导致后代适合度下降的现象[ 2] . 近交衰退程度与物
种的交配格局有关, 并且生活史不同阶段表现出近
交衰退程度不一样[ 10] . 一般来说,多数异交物种表
现出较严重的近交衰退, 部分自交物种也会表现出
近交衰退[ 2] .本文从木麻黄种群交配系统及近交衰
应 用 生 态 学 报 2002年 11 月 第 13 卷 第 11 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Nov . 2002, 13( 11)∃1377~ 1380
退研究着手,探讨近交及其带来的近交衰退在木麻
黄林的衰退中可能起的作用, 并提出相应的对策.
2 材料与方法
21 供试材料
研究地点位于福建省厦门市厦门大学至黄厝公路两旁
的行道树. 采样的木麻黄个体胸径 % 20cm. 在种子成熟季
节,每个个体上分别随机采集种子, 带回实验室进行萌发. 萌
发的幼苗进行基因型测定.
22 研究方法
221 酶的提取及电泳 基因型测定采用等位酶分析方法,
用淀粉凝胶电泳分析各幼苗的基因型.木麻黄幼苗的提取缓
冲液采用 Chen 等[ 4]的方法, 0 1g 幼苗加适量提取缓冲液于
冷瓷研钵中 , 冰浴, 研成匀浆, 放入 2 片 4mm & 6mm 的纸
芯,吸上粗酶液待用.
电极缓冲液为 T r isEDTA硼酸缓冲液 ( pH8. 0, 即
T VB8. 0) , 凝胶缓冲液由电极缓冲液稀释 10 倍而成. 上样
后,在 25mA电流下电泳约 15min,将纸芯取出, 在 45mA 电
流下继续电泳约 4h, 割胶,染色, 遗传判译.本文对 2 种酶系
统∋ ∋ ∋ 酯酶( Est)和苹果酸脱氢酶 ( Mdh)进行分析, 采用其
中 2 个多态位点用于交配系统测定.
222 交配系统分析 异交率是反映交配系统的最主要参
数.异交率的测定有多种方法, 目前使用最普遍的是基于
Fyfe等[ 9]提出的混合交配模型. R itland 等[ 12]根据该模型导
出的多位点异交率估测模型则是最常用的异交率估测程序
之一, 本文也是采用这个方法测定木麻黄种群的异交率. 所
使用的 MLT 程序由加拿大的 Ritland 教授提供,利用该程序
可以同时估测母株和花粉库基因频率[ 6, 13] . 计算时各参数选
取如下: 初始的异交率为 0. 5, 双亲近交系数设为 0. 2, 计算
异交率时最大迭代次数采用建议的 25 次, 自展( bootstrap)
次数为 50 次,重复取样设为家系间, 随机数为 1、2、3、4和 5.
花粉库与胚珠库基因频率可以假设相等或不等.
近交衰退是对适合度变化的一种反映.适合度包含许多
成分, 近交衰退可以直接对适合度成分进行测定. 由于近交
衰退可能发生在生活史任一阶段,且生活史后期阶段受的影
响可能更大,因此直接测定长寿命木本植物的适合度来衡量
近交衰退程度是非常困难的. Ritland[ 14] 提出了一种利用自
交率和近交系数估测近交衰退程度的方法,将近交衰退定义
为 1 减去自交种子相对于异交种子的相对适合度,即:
= 1- 2tF(t
s (1+ F t- 1- 2F(t ) ( 1)
式中, t、s 分别为异交率和自交率, F t、F t - 1分别为 t 和 t- 1
世代的近交系数. 当不同世代间种群的近交系数基本不变
时,上式可以简化为:
= 1- 2F( 1- s )
s( 1- F)
( 2)
式中, s 和F 为采用 MLT 程序的测定值.
这个方法能够较方便地测定种群的近交衰退,目前采用
该方法的研究越来越多[ 6] , 本文也采用该法进行近交衰退程
度的估测.
3 结果与分析
31 木麻黄种群的等位基因频率
测定的木麻黄种群母株、花粉库和种子库等位
基因频率见表 1.结果表明,位点 Est 和 Mdh 中等位
基因 a均以种子库中频率最高,但总体来看, 多态位
点 Est、Mdh各等位基因频率在母株、花粉库和种子
库之间变化不大, 表明在不同世代间,等位基因频率
变化不大.表 1计算的花粉库基因频率是假设花粉
库与胚珠库基因频率相等时的结果, 若假设花粉库
与胚珠库基因频率不等,则花粉库和胚珠库中 Esta
的频率分别为 0. 311 和 0. 333, M dha 的频率分别
为 0. 224和 0. 167. 计算的平均期望杂合度也是种
子库中最高,花粉库中最低.
表 1 母株、花粉库和种子库等位基因频率
Table 1 Allel ic frequencies in maternal individuals, pollen pool and
seed pool of Casuarina equiset ifolia population
位点
Locus
等位基因
Allelic
母株
Maternal
individuals
花粉库*
Pollen Pool
种子库
Seed pool
Est a 0. 333 0. 286 0. 351
b 0. 667 0. 714 0. 649
Mdh a 0. 167 0. 188 0. 203
b 0. 833 0. 812 0. 797
杂合度H e 0. 361 0. 357 0. 390
* 计算时假设花粉库与胚珠库基因频率相等 Assuming gene fre
quencies of pollen= ovule in calculat ion.
32 木麻黄种群的异交率
利用 MLT 程序采用单个位点和多个位点联合
对厦门木麻黄种群的异交率进行估测(表 2) . 单个
位点计算的杂合度变化很大, 由 Est计算的异交率
为 0. 506, 由 Mdh 计算的则达到 1. 999, 平均为
1. 253. 2 检验表明, 单个位点估测的异交率之间的
差异达到极显著水平( P< 0. 01) .由两个多态位点
联合估测时计算的单位点异交率为 0. 617, 远较单
独估测的均值低, 也低于多位点异交率0. 622,但差
别很小.
表 2 木麻黄种群的异交率
Table 2 Outcrossing rates of Casuarina equisetif ol ia population
位点
Locus
异交率
Outcrossing rate
标准差
Standard error
Est 0. 506 0. 438
Mdh 1. 999 0. 222
t *s 0. 617 0. 303
tm 0. 622 0. 302 2= ) I i ( t i- t ) = 7. 788 P < 0. 01( d . f . = 1)
* 由多位点程序计算 tm 时得到的结果Results got when calculating tm.
由 MLT 程序计算的近交系数为 0000 ∗
0111, 再根据近交衰退计算公式计算的近交衰退达
1378 应 用 生 态 学 报 13卷
到 1,这意味着自交形成的后代的适合度为 0, 表明
引种的木麻黄种群的近交衰退非常大. 虽然计算近
交系数 F 时世代间不变的假设可能不成立, 因而会
扩大了计算的近交衰退程度; 另外,样本数和采用的
位点数不是很多,也会带来一定的取样误差, 但计算
结果在某种程度上表明, 引种的木麻黄种群的近交
衰退相当大.
4 讨 论
物种引入是指人们有意识或无意识地扩大其分
布范围,在引入过程中,由于最初在新生境上定居种
群的个体数量往往不多, 因而会由于建立者效应形
成引种瓶颈.这种效应对植物种群遗传结构有着深
远的影响,影响的程度与其他一些因素有关, 如定居
时的有效种群大小、基因流等.
木麻黄是优良的沿海防护林树种, 在许多国家
有引种,我国的引种也有近 100年的历史.从木麻黄
种群的遗传多样性来看, 不管是衰退种群,还是正常
种群,遗传多样性均比较高,不仅高于植物的平均杂
合度, 也高于风媒传粉的植物类群和被子植物的平
均杂合度. 但正常和衰退木麻黄种群之间存在较大
差异,衰退种群的观察杂合度显著低于正常种群, 表
明遗传多样性较低对木麻黄林的衰退有一定影响.
物种的引入除对遗传多样性有影响外, 同时也
可能使引入种群发生近交, 其结果将降低种群的异
交率, 木麻黄种群的异交率为 0. 622, 属于混合交配
类型.木麻黄是最低等的被子植物,与裸子植物很接
近.裸子植物以异交为主, 异交率一般很高, 并且往
往存在较高的近交衰退[ 1] , 因此木麻黄种群的异交
率一般也很高. 本研究的种群异交率较低可能有以
下原因: 1)木麻黄虽然是单性花, 但雌雄同株, 并且
自交亲合,因此可能发生自交; 2)由于研究种群是一
个引种种群,在引种过程中多是采用传统的育种方
法,即从少数优良植株上收集种子用于育苗, 因此,
不同个体之间的亲缘关系比较密切,再加上研究种
群是多级引种的结果,即种源种群也是引种种群, 经
历了多次瓶颈效应; 3)研究种群密度较低,也是异交
率较低的原因之一. 研究种群是行道树,株与株之间
的距离约为 5~ 10m,并且是单行栽培.以异交为主、
自交亲合的物种中, 异交率与密度往往正相关,密度
降低,异交率也较低[ 7, 15] .
近交衰退导致自交和近交后代的适合度低于异
交后代的现象, 是物种阻止自交和近交的机制之一.
近交衰退的表现形式多样, 并且在生活史各个阶段
均可能表现出近交衰退[ 10] . 木麻黄是长寿命的多年
生高大乔木, 很难追踪木麻黄全部生活史来测定自
交后代和异交后代的相对适合度. 采用电泳数据测
定的木麻黄种群的近交衰退是很严重的, 可能是由
于利用电泳数据有一些基本假设不完全相符所致,
如世代间近交系数基本不变,实际上本文所研究的
木麻黄种群是引种种群. 近交系数受育苗和引种的
影响很大;另外, 由于取样样本数不是很大,也带来
了一定的取样误差,因而可能高估近交衰退程度,这
与 Charlesworth[ 3]的结论是一致的. 采用电泳数据
方法会高估实际的近交衰退程度, 而实际测定法又
会低估近交衰退[ 8] . 因此, Kohn等[ 11]提出, 最好将
两种方法结合起来以获得较精确的结果. 较高的近
交衰退是物种交配系统进化的重要压力, 物种要么
形成适应近交的机制, 要么形成防止近交发生的机
制.从木麻黄的生物学性质看,木麻黄似乎逐渐形成
避免近交发生,如单性花, 但雌雄同株, 又使这种机
制不完全.
从本文所研究的木麻黄种群的交配系统和近交
衰退来看,木麻黄林衰退的很重要一个原因是引种
所引起的近交及其导致的近交衰退. 因此,长期来看
防止木麻黄林衰退的重要途径之一是防止近交的发
生,为此需要从多方面采取措施. 首先, 要从源头开
始,在进行引种育苗或在种源地或原产地采集种子
时,不能象传统林业采种那样集中在少数所谓的∀优
良株#上采集种子,而应广泛收集种子, 但同时也要
注意防止种质混杂而引起远交衰退. 其次,在种子园
育苗时, 同株个体的种子萌发的幼苗或用无性繁殖
的幼苗不要集中种植在同一地点, 尽量使其分布在
不同的地点.最后,可以在木麻黄原产地收集一些种
子育苗或适当引进新的个体,多次引种可以减轻引
种时的瓶颈效应, 缓解生长不良的现象.
5 结 论
51 从木麻黄的生物学特征以及与亲缘物种的比
较来看,木麻黄应该是以异交为主的物种. 然而, 所
研究的木麻黄引种种群属于混合交配类型,说明存
在一定程度的近交, 引种对木麻黄种群的交配系统
有一定的影响.
52 测定的木麻黄种群的近交衰退程度高,虽然本
文所采用的研究方法可能高估了实际近交衰退程
度,但在一定程度上表明木麻黄确实存在近交衰退,
并且在木麻黄林衰退中起了重要的作用.
53 木麻黄林衰退现象是复杂的, 正如前文[ 2]指
13795 期 陈小勇等:厦门木麻黄种群交配系统及近交衰退
出的那样,在多个方面均可找到木麻黄衰退的原因,
如自身原因、土壤条件、化学自感、病虫害等, 但哪些
是主要的、决定性的, 难以判别. 本文从交配系统和
近交衰退方面发现近交及其带来的近交衰退可能是
重要的原因,但并不意味着其他因素不起作用.从已
有的研究来看, 解决木麻黄林的衰退不是简单的单
一技术问题,而需要采取多方面考虑的因不同地点
而异的综合性措施.
致谢 承加拿大的 Ritland 博士提供 MLT 程序,谨此致谢!
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作者简介 陈小勇, 男, 1967 年生, 博士, 副教授, 主要从事
遗传生态学和污染生态学研究, 发表论文 40 余篇. Email:
x ychens@ public4. sta. net. cn
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