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0 第 16卷 第 2期
1 9 9 6年 4月
生 态 学 报
ACTA ECOLOG1(3A SINIcA
』f；／
VoI．16，No．2
Apr．， 1996
亮叶水青冈(Fagus lucida)种群遗
传多样性初步研究
、 圭堡 ．
(北京林业大学森林资源与环境学院，北京．100083) 嗜0’
摘要 本文利用凝胶电泳齿研究亮叶水青冈(Fag~ luc~a)种内遗传多样性 所测定的酶 系统包括；过氧
化物酶(Px和 PXz)、磷酸葡萄糖脱氢酶(PGD)、谷氨酸草酰己酸转氨酶(GOT1和 GOTz) 异柠檬酸脱氨
酶(1DH)．甲基茶醌还原酶(MNR)、葡萄糖碑酸变位酶(PGM 和 PGM 2)．苹果酸脱氧酶 (MDI-Iz) 酸性磷
酸酶(ACP)和磷酸果糖异柑酶(PG1)9种酶系统 11十基因位点 测定和分析了亮 叶水青 冈 2地理种群的
等位基因频事，固定指数，基因多样性和遗传距离，为进一步研究水青冈的遗传变异和种内种间关系提供
了科学依据。
关 广兰 遗传娟等 多 种群， 逊 ／
PRELIM INARY STUDY 0N ALL0ZYM E DIVERSITY 0lF
TW 0 CHINESE BEECH(FA( Cl』DA)P0PULAT10NS
Li Junqing
(Colege ofF~rest Rel。 ces and E 饼州 BeifagF~estryUrdver~y，Bn g China，100083)
Abstract This paper applied the gel electrophoresis method to study the genetic diversity of
two populations in Fagus lvzida．The alozymes determined include：Peroxidase (PX and
PX2)，Phosphog!uconate dehydrogenase(PGD)，Glutamate oxaloacetate transaminase(GOT1
and GOT2)，Insocitrate dehydrogenase(IDH)，Menadione reductase(MNR)，Phospho glu+
eomutase(PGM )，Malate dehydrogenase(MDH2)，Phospho glucoisomerase(PGI)，and Acid
phosphatase(ACP)．W e have determined and analysed the allelic~equency，fixation index。
genetic distance，and genetic diversity of the two beech populations，and provided some scien—
tific information for the further studies of taxonomic relations and systematic evolution for the
beeches．
Key words： beech，genetic variation，alozyme，biodiversity
遗传多样性是生物多样性的基础，它可用来表述种群遗传变异和研究维持变异的机
· 国家 自然科学基金资助 。法国渡尔多大学 B COMPS教授对本文的试验分析给予帮助 ，在此表示感谢。
收稿 日期：i995 04 10，修改稿收到 日期 ：1996 Ol 25。
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2期 李俊清：亮叶水青冈(Fagus )种群遗传多样性栖步研究
制。遗传多样性关系到物种的长期生存与稳定．物种遗传多样性越高，对环境变化的适应
能力越强．也就越容易扩展其分布范围和生存窑间；当环境发生激烈变化时，有维持群体
进行有利突变的潜力．使其始终保持对周围环境的适应状态。遗传多样性一直是进化理论
的基础 ．种群生物学和进化生物学的核心。研究遗传多样性 ，对进一步开发和利用食用、医
药用和工农业原料的物种 ．保护珍稀濒危物种和保护人类赖以生存的植物基因资源都具有
十分重要的意义。
水青冈槲种均为 2倍体 ，染色体数 目为 2 ：24，水青冈(Fagus)是一分布范围较广的
树种 ．在亚洲、欧洲和北美洲森林群落中都是重要的建群种，在南美洲和澳洲以另一近缘
类型～一拟水青 冈(Noth gus)为代表 水青冈及其近缘类型的研究对揭示物种的变异
与形成，南北半球的种间关系和物种进化都具有重要的学术价值。目前欧洲、日本、中国台
湾、智利和澳大利亚等国家和地区已广泛对 Fag“ 和 Nothofag“S的遗传多样性做了大量的
研究工作 。但是就水青冈属来说 ．国外的研究更需要 中国的材料 ．与之形成一个综合
而完整的体系．以解决全球水青 冈的变异与进化问题 中国有水青冈 6 7种 ．而其它国家
总数也只有 7种 ，可见 ．中国可能是 Fagus分布中心和发源地 。不过，根据化石记录．
中国水青冈似有随气候变迁逐步退缩，分布区不断减小的趋势 ]，在这种情况下，研究水
青冈的地理变异和遗传多样性显然是重要的，也是必须的 ’ 。
1 研究方法
1．1 取样地点和方法 取样地点属我国南岭、桂林地 区越城岭山地 (25。4 J N；1l】。20 E)
常绿落叶阔叶混交林．主要分部在海拔 13o0 1 500 m范围内。分别从猫几山保护区(兴安
县 )和里骆林场(龙胜县)取亮叶水青 冈(Fagus tucida)2个种群．每个种群的样本数为 59
株 取样方法是每株树上剪下2个40 5o cm长，并带至少 1 5个芽的枝条．代表该树的样
品。每 2株取样的林木之间距离 30—50m
1．2 处理 实验室内去掉芽鳞，取芽和 1年生部分幼枝的韧皮部 ，研磨后离心 ，取上清
液 ．放入一20℃冰箱内贮存待用。
1．3 分析 采用 2种凝胶电泳做 l1个基因位点的酶谱分析，其中过氧化物酶(PX 和
PX )、磷酸葡萄糖酸脱氢酶(PGD)、各氨酸草酰乙酸转氨酶(GOT 和 GOT )用聚丙烯酰氨
凝胶电泳测定；异柠檬酸脱氢酶 (IDH)、甲基萘配还原酶(MNR)、葡萄糖磷酸变位酶(PGM。
和 PGM。)，苹果酸脱氢酶(MDH )，酸性磷酸酶(ACP)和磷酸果糖异构酶(PGI)用淀粉凝
胶电泳 测定。
1．4 计算 每项计算和统计指标及方法均参照文献
1．4．1 基因频率 ‘一[2 ．+ ． ／2n
一 代表纯合子数
代表包含一个i等位基因的杂合子数
种群个体数量
1．4．2 固定指数(Fixation index)或 F 统计 ：
a)第 k个种群第 i个等位基因的固定指数：
．
一
一 一 =_；
b)2个等位基因的情况下 ，第 i个等位基因的固定指数：
● J ● }
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13O 生 态 学 报 1 6卷
x 一 ，， X 一 ( ) 一 一 (≈)
i二 一一i二 P st,一 二
其中，F”和 F 是 2个结合子(Uniting gametes)与亚种群及其与该种植物所有种群的相互
关系，它们代表了种群内和所有种群总的等位基因分化； 是从每一种群随机抽取2配子
之间的相互关系，它代表种群之间的等位基因分化，这里： 是第 i个等位基因的频率 ，x
是第 个等位因基的纯合子频率 ；X 一 X ／ ：．／7 一三⋯X ／ ； 一三xUs，其中 是种群数
量， 是第 个种群。 检验： ： ； ．，自由度为 1。
1．4．3 基因多样性 h 一1一三
无偏 『古计 h一2n(卜 Zx~z)／ (2 tg-1)
平均基因多样性 H= ／r
取样方差 (^)一三(^，一日) ／(r一1)
其中：r是基因位点数
1．4．4 遗传距离
a)最小遗传距离 D 一D 一(D 十D )，2；D 一1一P ；D：一1一P ；D 一1一P ；
一 Ziiy ， ，和 代表种群 32和种群 在同一基因位点上第 i个等位基因的频率，
P 一∑ ，P =三《
b)标准遗传距离 D=一In I；I一 ／( P )”!
c)最大遗传距离 及 一(1-I)／l
2 结果
2．1 基因频率和种群变异
由表 1可以看到，龙胜亮叶水青冈F值显著大于 0的位电有GOT (P<0．01)，IDH(P
< 0．001)和 MDH 2(P
交影响或杂台子适合度低于纯台子，或者是二者的共同作 甩结果 亮叶水青冈 1]个位点 只
在 GOT 这一酶带上 2种群的 F值相似，由于物种异地分布，受选择的强度不同，因而出
现不同的作用形式和不同的酶带结果。对于 ，<0的情形，2种群只在 MNR位点上相似 ，
其它位点都有不同程度的差异．尤其是 IDH，龙胜亮叶水青冈表现极强的杂台子缺失，而
猫儿山亮叶水青冈却是杂台子适合度高于纯台子。
选择和 自交对种群遗传结构的影响．不仅反映在基因位点，而且在同一位点的各条等
位基因上也有表现。如在 PX位点上的 PX一98和 PX一33等位基因，龙胜亮叶水青冈的表现
是纯台子缺失．而在猫儿山亮叶水青冈的表现却是杂合子缺失 可见，各基因位点上种群
的基因结构不但受到各自地理位置的影响，而且在同一基因位点上 ，同一等位基因所受到
的选择压力也有较大差别 ，表现出复杂的环境调控机制和较高的多样性 。
2．2 种群的固定指数 表 2是亮叶水青冈 2个种群的综合固定指数统计 ，它代表的不是
各个种群的特征，而是所取样 2个种群的总体特性 ，即代表该树种的整体情况 。全部基因
型分化 受种群 内( )和种群间(F5 )基因型分化的影响，其中 s起决定性作用，所以
F 和 F 表现出一致的变动规律。对于全部 2种群来说．多位点 F统计数值不等于 0．说
明它们存在种群内和种群间的 2种基因型分化 其中 PX ．GOT ，GOT 和 MDH。的， 和
F 显著大于 0(P<0．01)，有杂台子缺失的明显特征。除 MNR为负外 ．其它位点与 0无显
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2期 孛俊清 ：亮叶水青冈(Fagus lucid )种群遗传多样性初步研究 1 31
表 1 亮叶水青冈各种群 11个基因位点的基因频率 ( )和纯台子频率(墨 )
以爰同定指数 Fm 的估计值 ( 代表权数)
Table 1 Gene(xt)and homozygote(Xt)freqaencles for the 11 loci in 2 beech populations and estimates of F【 h
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生 态 学 报 】6卷
著差异 (P<0．05)，对于 2种群之间的基因型分化结果 ，表中只有 PGI位点上的 t显
著太于 0(P
的 自交和 自然选择．而并非由于 2种群之间不同所造成的基因型分化。
表 2 亮叶水青冈 2种群的固定指数
Table 2 Fixation index of 2 Populatlocts iI．Fa Lueida
2．3 遗传多样性和遗传距离
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2期 李俊清 ：亮 叶水 膏 (Fagus lucida J种群遗传多样性初步研究
从表 3可以看出，2种群之间的基因多样性相差 一0．016(0．475—0．459)．标准差 Sd
一 0．202(0．134 +0．1 5l )” ，正态方差 一0．079(0．o16／0．202)．统计检验结果是 ，二者之
间的差异不显著(P<0．05)。由此证明亮叶水青 冈 2个种群 间的基因多样性相 同。由表 3
进一步分析可知 ，2种群在各位点上基固多样性的变化规律相似 ，如在 PX．PGD， ]T：，
PGM，PGI和 ACP位点都较大，而 GOT ，IDH，MNR和 MDH 位点又都较小
此亮叶水青冈2个种群的基因多样性相似 ，它们之间的遗传距离也较小。由表 4可见 ．
2种群最小遗传距离 D 一0．o2s[o．489一(0．4 5+0．471)／2]，它表示每个位点上密码差异
的最小数量。标准遗传距离 D和晟大遗传距离 D 分别 为 o．04 9和 0．050，约 为 D 的 2
倍，说明当个体遗传密码的变化是独立的．或 替代速率均衡时 ．2亚种群的遗传距离将迅
速增加。尽管 D和 D 远大于D ．但其级差仍较小．从遗传基础上说二者无根本差别
表 3 亮叶水青冈 2种群基因多样性比较
Table 3 Comlmrisoa of gentlc diversities for the 2 populations_Ⅲ Fagus thcide
基因位 电 龙 胜 猫儿山 基固位 电 龙 胜 描儿山
l Longsheng M aorshan Locus Longsheng M aorshan
PX、 0．66T 0 653 PX 0 557 0．702
PGD 0 720 O 635 G0T 0．212 0．092
∞ T O s03 0．655 l『】H 0 ll2 0．157
Ⅵ NR 0．3l6 0．3O6 PCⅥ ． O jO6 O．5e2
MDH， 0．277 0 l28
PGl 0 570 讥705 平 均 。4 9 。 {75
S 0．13{ 0．】I】
ACP 0 496 0．633 Average
表 4 2个亮叶水青冈种群 的遗传距离计算表
Table 4 Calc~latiou Df ge~ ic distance for 2 populations h Fagus La~ida
基因位
P
莓
P P
PX1 0．33g 0 353 0．325 PX2 0．438 0 304 0．353
PGD 0．g68 0 371 0．308 G0T 0．790 0 909 0．84 4
COT? 0 402 0．351 0 356 IDH 0 853 0．844 0 849
M NR 0 686 0 697 0．692 PGbt 0 498 0 443 0．442
M DH2 O．725 0 873 0．794 ACP 0．508 0 373 0．392
PG1 0 435 0．301 0．253 平均 Average 0．545 0．529 0 511
4 讨论
上述研究结果说 明，亮叶水青冈 2亚种群相似，它们之间的微弱差别更多的也是由于
周围环境条件不同，或者说由于随机和基因替换 的不平衡性造成的结果 。水青同是风媒树
种，长距离和大范围的基固交换，遮盖了两者不足 100 km 的地理隔离。虽然 目前尚缺少关
于亮叶水青冈花粉传播范围和授粉机制的研究工作报道，但欧洲水青冈(F．sylvatica)的研
究资料可为解释上述现象提供参考 文献[67指出，F．sytvatica的雌雄花期有差异，一般雌
花比雄花早 4 j d．花期约 14 d；雄花不但晚，且释放花粉的时间也只有 4 d左右。一株水
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生 态 学 报 6卷
青冈雌花比同一种群大多数的其它个体雄蕊开花早．那么它的授粉过程就有几种可能： D
由同一种群一株开花最早的花授粉(异花受精)；② 4 5 d或更晚些时间接收 同一株雄花
的花粉(自花授粉)。另外，自然条件下的多数繁殖都是杂交情况．Nielsen 做过 23株欧洲
水青冈母树的人工授粉试验，发现白花授粉的种子数量少，给 5546个花自花授粉只有 444
粒种子，比率只有 8 ；而同一株树上 9535个花自由授粉产 5770粒种子．比率为 6o 。可
见杂交结实率高。对于中国水青冈来说 ，风媒花粉传播距离很远，100 km左右的距离显然
不是导致地理隔离的障碍，尤其是猫儿山与里骆林场水青冈林的海拔高度都在 1300 m左
右，故种内变异很小。
文献ElO]指出，Hardy—Weinberg平衡适合于大多杂交有机体 ，但又常常被一些因子所
干扰，任何偏离 Hardy Weinberg平衡都可用固定指数 F来衡量。对于水青冈来说导致非
零 F值的主要原因是 自交和选择。自交和杂合子适合度小于纯合子时 F>0．否则 F<0。
尽管亮叶水青冈 2种群遗传多样性相似，但各基因位点上所表现的变异却是不同的。如表
l证明，2种群多数 F一>0．说明均受选择作用，但选择的基因位点各异，选择的强度也不
一 样，表 2中虽然 Fs ．很小，但也绝少为 (j．这就说明 2种群受地理隔离仍有微小差异．而
这种差异多数表现在不同位点，或同一位点不同等位基因频率的变化上。2个亮叶水青冈
种群基因多样性分别为 0．475和 0．459，这个数比 F．syZvatica高得多 COMPS等一” 在欧
洲做过各类地区不同条件下 35个林分水青冈遗传多样性的分析 ，其中地中海地区欧洲水
青冈的遗传多样性最高 ，平均为 0．313．此数值不到亮叶水青 冈的 70 ．说明中国水青冈
遗传多样性高．这对于进一步研究水青冈的东亚起源问题有十分重要的参考价值。总之．
通过上述分析和讨论，本文初步认为：亮叶水青冈 2地理种群的基因多样性相似．不足 100
km的间断分布并未使 2种群产生明显的遗传变异和分化；亮叶水青冈种群受 自交和 自然
选择的影响，表现在多数情况下杂合子适合度低于纯合子，有选择就会有进化 ，所阻说亮
叶水青冈的潜在变异较大；亮叶水青冈种群遗传多样性高于欧洲水青冈，为说明水青冈的
中国或东亚起源提供参考依据
参 考 文 献
Hosking G N~hofagus decgne in New Zealand：~parating caus~ from symptoms b)west Decline，Edited by Huettl R
F and M uler D Berlin．Spering~一Verl~g-1999
M uller—Starck G ．Barad P and Bergmann F Genetic variation within European trees．New Forests，1992—6{23 4 7
Peters R Ecology of Beec8 Forests m the Nurthern Hemisphere(Thesis of doctor) Wagemngen~1992
张永 田，黄成就 壳斗科植物摘录(I) 植物分类学报，1988，26(2)：11l一1l9
洪必恭，安树青 中国水青冈属植物地理分布韧探．植物学报，1993．35(3)：220 233
Tei~ier du Cros T 1e Hcc Paris：Pubhcatiot~ Scientifigues et Litterataires，1 982
Thlehaut B．Lum~ tR．and Vernet P The bud enzymes of beech (Fagus sylv~ica)-S~vaeGent，1982—3lj 51— 60
Merzeau D Di Giusto F，Comps B．et a1．The alozyme variams of beech (FuK~-sylvag#a)．Silva*Gen~t，1989 38：
1g5 201
Pasteur N．Manuel Tethmg~ de暖 嘶 par El~trophorese des Proteins．Paris：Lavoizoer一1987
Nei M ．M olecul~ E m v G~aetics New York：Cotumbia Utdversity Press，1987
Nielsen P．Flower observatlo~ and contro~ed pollination in Fagus Z ， G f，1954，8(1)：6— 17
Comps B Thiebaut B，Sugar I．et a1．．Genetic v~riance 0f the croadaa beech stands Ann蹦 For，1991，48 18— 28
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