全 文 ：第19卷第1期
1999年1月
生 态 学 报
ACTA ECoLoGICA SINICA
V01．19，No．1
Jan．，1999
四川
，、
、 、 } 1 2《 i
种水青冈种群遗传多样性初步研究
空篮 ② 刘雪萍①
‘①北京林业大学森林资源与环境学院 北京 100083 ②中国科学院生态环境研究中心 北京 100085)
要 利用凝腔电泳法研究米心水青冈(Fagus engleriana)和 巴山水青两(，．pashanica)z十种4十种群的遗
传多样性 。所j划定的酶系统包括：过氧化物酶(PX 和 P )t磷酸葡萄糖脱氢酶(PGD)，酸性磷酸化酶(ACP)，
超 氧物歧化酶(SOD)．答氨酸草酰乙醴转氨酶(GOT 和 GOTO，异拧棒酸瞪氧酶(IDH)，礴酸果糖异构 酶
(PGI)，甲基萘醌还原酶(MNR)，葡萄糖磷酸变位酶(PGM]和 PGM2)和苹果醴脱氢酶(MDH2)101~酶系统 ，
测定和分析了水青 冈等位基 因频率、遗传多样性 、固定指数、Hardy-Weinberg平衡 和遗传距离指标，为进一
步研究水青冈属各种间的亲缘关系和进化提供了科学依据。
关董词基因 瞄逵篮圭拦蚌，Hardy WeLnberg平衡，固定指散，遗监噩直 扯 可
STUDIES oN GENETIC DIVERSITY oF CHINESE BEECHES
IN NANJIANG，SICHUAN PRoVINCE
LI Jun—Qing W U Gang LIU Xue—Ping
f①．College ofForest Resources＆Envir~ment．Be(ilng ForestryUniversity．Be；jing，100089，China ＼
＼@．Re~ach Centre如r gco-gnvi~ memal Sdences．Chine~ Academy Sci~ e，娜 g．100085．China』
Abstract A gel electrophoresis method，was used to study the genetic diversity of Fagus
e’tg}eriana and F．pashanica at Nanjiang Country，Sichuan Province．Ten allozymes were
identified and they are：Peroxydase(PX】and PX2)，Phosph。gluconate dehydrogennase
(PGD)，Acide phosphatase(ACP)，Superoxyde dismutase(SOD)，Glutamate oxaloaeetate
transaminase(GOTl and GOT 2)，Isocitrate dehydrogenase(IDH)，Phosphate glucose iso—
merase(PGI)，M enadione reductase(M NR )，Phosphoglueomutase(PGM 1 and PGM 2)，and
Malate dehydrogenase(MDH2)．W e have determined and analysed the allelic frequency，ge—
netic diversity，fixation index，Hardy—Weinherg equilibrium，and genetic distances of the 2
beech species．This results could be applied in the silyicuhuraI practice，such as genetic im—
provmemt and species selection，and they could also provide some basic scientific inforn~一
tion for the further studies of taxonomic relations and systematic evolution of the beech
species in China，
Key words allelic frequency。genetic diversity，fixation index，Hardy—Weinberg law，genet
iC distance．
* 国家 自然科学基金资助项 目
法国玻尔多大学 B．COMPS教授对本文的试验分析给予帮助 t在此表示感谢
收稿日期 ，199~05 84，修改稿收到 日期：1997 05—07 。
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1期 李俊清等：四川南江两种水青阿种群遗传多样性初步研究
水青冈属(Fagus)植物广泛分布于北 半球温带地 区，尤其在欧洲和北美是当地气候性顶极植被 。中国
水青 阿属植物7种 ，占全世界14种的一半，从数量上看是起源与分布中心，但从面积和优势程度看 ，远非
如此 。水青冈化石在我国的黑龙江 ，吉林 和华北地区等“ 都有发现，可见它在中国北方有生存的历史，并
在长期 的地理历史演化过程 中逐渐衰退 。水青 冈是一世界性 广泛分布树种 ：F．engleria d，F．。 抽li 和
F sylvatica连接欧亚大陆；F．grandifolia和 Nothofagus横贯南北半球 。研究它们的变化过程，对于揭示
垒球气候变化对植被的影响，以及欧亚大陆的地质与生物上的联系与分异都有重要参考价值 =
遗传多样性是物种所携带遗传信息的总和 ，是长期进化 的产物 。一个种群 的遗传多样性越高或越 丰
富 ，对环境变 化的适应能 力越强 ，越容易扩展其分布范 围和开拓新 的环境 可见物种的进化潜力和抵御不
良环境的能力取决 于遗传多样性 的大小 ]。研究 四川南江两种水青 冈遗 传多样性有助于进一步 了解其分
布区减小的原因，以及为探讨与世界各地区水青 冈属植物的进化关 系和分布规律提供基础数据 。
四川省南江县是我国水青 阿属植物最集中分布 区之一p-，常见的有米心水青 阿(F． gl ria d)，巴山
水青 冈(F．pashanica)、长柄水 青冈(F．1ongipetiolata)和亮叶水青冈(F 1ucida)。尤其 巴山水青 冈是1987年
才在该地区发现的新种 】。然而 ，这一地区的水青同正在重复中国水青冈的历史 ，无论是面积还是蓄积都
在以惊人的速度减少 ，当地林业部门担心在不远的将来，水青冈林会在这一地 区消失。当然 ，这里面有过量
采伐和更新不及时的原因，而另一方面是否存在着水青冈等遗 传多样性低，在人为干扰和 自然环境突变时
缺少潜在的基 因资源去适应周围环境条件而逐渐衰退?从实践上看，要发展水青阿林就要从现有的各种资
源 中选择遗传多样性高 ，适应性强和生长快 的品种 为此 ，基础性 的遗 传多样性研究无论 在理 沦还是在实
践上都具有十分重要的意 义。
1 研究地区概况和研究方法
1．1 研究地 区概况
四川省南江县保存有十分完整的大 片原始水青 阿林，面积近5～6万 hm ，蓄积约200万 ma。由于该林 区
地处米苍山以南(32。30 ～44 N}106。37 ～107。07 E)，冬季璺来自北方的玲空气干扰小，夏季东南季风至此
又可凝云降雨 t因此形成了该地温暖湿润的气候条件 ，地带性植被为山地常绿与落叶阏叶混交林 。一 些地
段受局部气候条件的影响，落叶阔叶类仍居优势。另外由于大面积的人工造林，海拔1200m 以下是以马尾
松 (Pinus辨dsj。n抽 d)，杉木 (Cumminghamia lanreotata)和各种柏 木(Cupre~s)等人工林为主的常绿针叶
林 ；海拔1200~2100m是 由水青冈，青 冈属 (Cyctobanopsis)，槭属 (Acer)和桦属(Betuta)等形成的常绿 阔叶
与落叶阔叶混交林 }海拔2100m 以上是华山橙(Pinus armandii)，巴山松 (Pi 甜 henryi)和岭杉属(A )等
形成的暗针叶林。四JI南江属大巴山区，山地坡度20～45。之问，年平均降水量[400mx~，山高坡陡雨水太是
其典型特征。水青冈林是南江林区的地带性植被，面积占林区的23．2 ，蓄积占32．3 。保护水青冈林是维
持区域生态平衡 ，防止水土流失和保障平原农业高 产稳产的关键。 、
1．2 研究方法
1．2．1 取样 样品均于1995年春季取自四川省南江县国营林场，取样林分的环境条件相似，其方法是从
每株树上剪下2个40-50cm长酶枝条。采样时注意每两株距离保持在30~50ra之间，每种群均分布在不同
的集水 区或有10kin 以上 的地理隔离，每种 群的样本数量为50株 。巴 山水青 冈和米心水 青冈各选择2个种
群，其中只有巴山水青阿的1个种群(种群I)采自巴山水青冈纯林，其余均取 自此2种及其它常绿阔叶树的
混交林 。
1 2．2 处理 在实验室内取每株树2枝条的新鲜叶．研磨后离心，取上清液，放入一2o℃冰箱内贮存待用。
1．2．3 分析 果用两种凝胶电泳做l0种酶系统 13个位点的分析 。其中过氧化物酶 (PX 和 PX )，磷酸葡萄
糖酸脱氢酶(PGD)，酶性磷酸化酶(ACP)，超氧物歧化酶(SOD)和谷氨酸草酰乙酸转氪酶(GOT．和GOT )
用聚丙烯酰氨凝胶 电泳法f异柠檬酸脱氢酶(IDH)，磷酸果糖异掏酶(PG1)，甲基萘醌还原酶(MNR)，葡萄
糖磷酶变位酶(PGM．和 PGM )和苹果酸脱氢酶 (MDH )用淀粉凝腔 电沫法 ]。
1．2．4 计算 ：
(L)基因频率 z 一C2(ii)+ 2一ij~／2N
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(”)代表纯合于数； 代表包含 一十 i等位基因的泉异合于数；Lv代表种群个体数量。
(2)基因多样性 某位点的基因多样性观测值 为 =1 厶 ．
(3)遗传距离 D— lnl，I P．~／(尸 P，) ，尸 己 丑 和 代表种群 和种群 Y在同一基因位
、 1 、 1
点上第 i十等位基因的额率 ，尸 一 ．。，P = 。=
(洲 ardy Weihbe g平衡 一∑ 二。_至
此公式应用 YATES修正项 ，其中 0代表观测值 ，E代表理论值
y 一 2
(5)固定指数 Fis一 -_— _、
z 0
其 中：x代表某等位基 因纯合子基因型频率 ，当种群 自交和杂合子适台度小于纯合子时，Fis)O；相反
当种群杂合子适合度大于纯合 子时，Fis~O。
2 结 果
2．1 等位基因频率
表1所列13个基因位点中，米心水青冈和 巴山水青 冈有2个明显特点 ，以此相互 区别 ：①共有等位基因
数量少 ，除 SOD外其余 1 2个位点 上，2种群各具有1～3条特有等位 基因。PX 和 PX 位 点上有 10条等位 基
因，可以说数量不少 ，但却没有一条为2种所共有 ②基因频率不同，虽 然表1中有23条等位基 因为米心水青
冈和 巴山水青冈共有 ，约占总数(47条)的一半，但却找不到-一条频率完全相 同的共有 基因酶带 ，甚至某些
基因的频率相差极大，如 GOT2 79和 GOT2-61．2种间基因频率相差10～40倍 。
不过 ，两种水青冈间的基因频率也有一定的相似性 。由表1可 发现 ，几乎全部特有等位 基因，尤其是
只为某一种群所特有 的等 位基因 ，其频率都裉低 。如 PX1 105—0．1 73，PGD 112=0．012，PGD一70=
o．01 7，PGI 122-0．077等 。另外大多数共有等位基因，特别是 为全部4个种群所共有的等位基因的额率均
较高，如 PGD一100，ACP 85，MDH一100，IDH 116．MNR 100 PGI 100，PGMI一100和 PGM2 86
等。上述这2个特性又保证 了同属间这2个种 ，以及同种间2种群的同一性 。
水青冈基因频率的变化不仅表现在种闻，而且也表现在种内。米心水青 冈有4个不为2种群所共有的等
位基因，而 巴山水青 冈却有1 5个这样的等位基因。种群1(米心水青冈)在 PGM1和 PGM2位点上表现多型
性．而种群2确是单型的。种群3在 GOT1和 GOT2位点上各有3条基因酶带，而种群4却 只是1条。可见 ，种内
不但有基因数量上 的差异，也有频率上的高低之分 。总之，两种水青阿在基因频率上、具有较高的多态性 ，
相对比较，巴山水青 耐种内的变异比米心水青冈更大蝗
2．2 遗传多样性
表2是4个水青冈种群的遗传多样性统计，从中可 发现种问及种 内的遗 传多样性差别很大 ，变化范围
0～0．646。凡是 只具有 1条基 酶带的位点 ，其多样性为0，如种群4的 GOT1和 GOT2；种群2的 PGM1和
PGM2 有时既使 是1条基因酶带，但在该位点上有1条等位基因占绝对优势(频率极高)，基因多样性也
低 ，过一点可 从 巴山水膏 冈在 IDH和 MDH位点上的多样性 明显低于术心水青 I可看出
米心水青 冈牙中群的遗传多样性具有相似的变化规律 ，如 PGD，ACP和 MNR较高 ，PGM1和 PGM2较
低 。与之 比较巴山水青 冈却不同．如种群3~e GOT1和 G0T2位 点上的基因多样性分别为0．356和0．371，而
种群4却为0；在 PGI位点上，种群3是种群4基因多样性的23倍。可见 巴山水青冈的种 内变异大 ，而米心水青
冈2种群保持相对一致的多态结构 。再从13个位点的平均基因多样性看 ，种群3最高 ，而种群4最低 ，二者相
差1．6倍’相反种群1和2间的差别却很小。所 ，在蛋 白质水平上检测的遗传变异对种内各种群闻的测定更
敏感 。
2．3 Hardy Weinberg平衡检验
表3的 统计证 明，米心水青网的2个种群在 1 3个基因位点上的频率完全符合 Hardy-Weiberg平衡规
律 ，是一平衡种群 而巴山水青 阿的种群3在 PX2、GOT1、GOT2、PGD、PGI和 PGM1+种群4在 PX2和 ACP
位 点上与 Hardy—Weinberg平衡有极显著的差别(P<0．01)。通过表2，还 可以清楚地看到这些偏离 H~rdz)一
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Weinberg平衡规律位点的基因多拌性也高 。应用一种非参数统计检验方法m 证明，种群3和4在上述不符
表1 米心水青冈和巴山水青冈的基因频率分布
Table 1 The genetic frequencies of F．engleriana and F pashanica
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表2 米心水青冈(2种群 )和巴山水青冈(2种群)遗传多样性比较
Table 2 Genetic diversity comparision among the populations of F．engleriana
(2 po pulations)and F．pashanica(2 po pulations)
台 Hardy—Weinberg平衡位点的遗传多样性显著大于同种群其它位点的遗传多样性( 一0．o5) 可见．在遗
传多样性高的位点上，基 因型频率有偏离 Hardy—Weinberg平衡规律 的趋势。
2．4 固定指数
多数杂交有机体的多态基固位 符合 Hardy Weinberg平衡规律 ，导致偏离这个规律 的主要原因是一
些生态固子 的干扰．对此用一反映种群配子相互关系的参数(Fis)，即固定指数来检测。表4是水青 阿各种群
的 检验结果 ，不难发现 ，许 多位点上都是非零 F值．其 中巴山水青 冈最为明显 。种群3的8个非O位点上．
均 为 F>0．且6个是差异极 显著( <0．001)．说 明该种群 自交比例高 ．或杂台子适合度低。相对 比较 +米心
水青冈的非零 F值鞍少，受选 择作用也弱。种群1和4的许多基因位点 F适合度高于纯合子。
将表4和表3作一对 比，就 可清楚 的看到，基 因型频率偏离 Hardy—Weinberg平衡规律的位点其种群的
固定指数与0有显著或极显著差别 由于选择作用或者非随机交配．使基固频率与基因型频率在世代间不
能保持恒定关系 从这点分析 ，巴山水青冈比米心水青 冈受的影响更强烈．作用更显著。
2．5 遗传距离
根据两种水青 冈4个种群之 间的基因频率分布．得到它们种 内种间遗传距离。由表5清楚看到 ，两种水
青阿的种同遗传距离明显大于种 内，尽管巴山水青阿两种群间的基 因频率和多样性等差异很大，甚至大于
它们与米心水青冈的差异 ，但这两种群间的遗传距离仍鞍小 可见 ，决 定种群同遗传距离的因素主要是等
位基因在数量和频率的大小 ，尽管 巴山水青 阿两种群 间有较大 的变异，但这种差异还主要 是量上的 用遗
传距离来衡量，巴山水青 冈丽种群 的遗传结构相似，作为一个物种 的基本特征不变
3 讨论与结论
上述两种水青 冈树的4个种群的遗传多样性分析结果说明，每个物种都具有特有的等位基 因，但这个
特有等位基因频率通常叉鞍低， 保持两种 间的一致性 。米心水青 冈种内变异鞍 小，两种群的基因频率和
基因多样性相似 。巴山水青冈2个种群间等位基因频率和多样性差别较大，这 显然受局部林分条件和酶活
性的影响表现在基因水平上的变化 。由于只有 巴山水青 冈的1个种群 (种群4)取 自混交林，而在其 它环境条
件上无显著差别 ，这就说 明林分 内不同种间可能存在一 定的基因交流，从而导致巴山水青 冈种 内变 异增
大。从遗传距离上分析．种群3与种群l和2同的遗传距离均小于种群4与它们的遗传距离 ，可见来 自混交林
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表3 米心水青冈(种群l，2)和巴山水青冈(种群3，4)的Hardy—Welnberg平衡检验
Table 3 Fitness of the observed genotypes l卫 F
． engleriano and F． 妇 月 to the
expected proprotion of Hardy·W einbcrg equilibrium
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寰‘ 米心水青冈(2种群)和巴山水青冈(2种群)的固定指数
Tlble 4 Fixation(Fis)of F．e~~1er／ana(2 populations)and F．pd蚰 4 妇 (2 populations)
*、+ ：0 05<尸< 0．10l ：0．01< 尸< 0．05|* * {0．001< 尸< 0．01 F⋯ ：P< O 001
衰5 米心水青冈(种群l和2)和巴山水青冈(种群3和4)的遗传里鼻
Table 5 Genetic distance ofF．e．gleriaaa(2 populaUons)and F．paslum／ca(2 populations)
的种群3有更多的机会与米心水青冈进行基因交流。不过这种差异并未产生根强的种内遗传分化，即它们
的遗传距离仍很小，可见同种水青冈仍保持其较稳定的遗传结构。
米心水青 冈的2个种群完全符合 liaray—Weinberg平衡规律 ，而巴山水青 冈的2个种群有8个基 因位点
偏离这个平衡 。Hardy—Weinberg平衡是关 于种群基因频率和种群基因型频率相互关系的规律，是指在随机
交配的太群体内，若没有选择，突变或迁移因素的作用，基因频率和基因型频率在世代间保持恒定 。从这
个意义上说，巴山水青冈不同世代种群间已受到选择或其它因素的影响，因而，基因频率与基因型频率偏
离 Hardy—Weinberg平衡规律 。
巴山水青 冈只在我国四川南江 ．湖北石 门和浙江临安等狭 小范 围内分布 ]，文献 [43指 出中国水青冈
属的5个种中没有巴山水青冈，‘中国植被)也投有巴山水青冈的林型分布和记载 ，甚至有人怀疑巴山水
青冈是否可作为一个独立的种存在，认为它可能是某一种水青冈的变型_I。蜘 由于巴山水青冈与米心水青
冈的共有等位基因数量步，遗传距离大，而遗传距离正是代表种内和种间亲缘关系远近程度和基因流交换
程度 ．以及相互授扮和种质渗入的可能性。二者具有如此大的差异．由同种产 生新的地理变种的可能性很
小 所以，厩使巴山水青冈是一地理变种的话，也可能是由其它水青冈，如亮叶水青冈向西南分布的一个地
理变型。由固定指数的测定和分析证明，巴山水青冈的 值多数大于o，显然受环境因子影响和选择作用较
强 ，这里面厩有杂合子适合度低的影响 ．也有自交和非随机交配的可能性。由于杂交种或新 的地理变型必
然受到诸多环境和遗传因素的影响，所以会出现偏离 Hardy—Weinberg平衡规律和非零 值的现象 。
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1期 李俊清等：四川南江两种水青冈种群遗传多样性初步研究
与分布于欧洲的水青冈F．sytvatica相比，上述水青冈种群1，2和3都显著高于欧洲水青冈的遗传多佯
性 ，这与我国水青冈的分布范围广，交配群体数量多和基因资源丰富有关 除有各地区种源的遗传变 异
外 ，还 有基因流和基因飘移因素常导致种内和 种间在时空上 的遗传分化和多佯性 ⋯ ]。所以生产实践 中
可以考虑开发遗传资源 ，尤其巴山水青 冈种群变异大 ，应选择基因多佯性高的地理类 型，以利于保持优 良
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