全 文 ：植　　　物　　　研　　　究
BULLETIN OF BOTANICAL RESEARCH
第 18 卷　第 2 期 1998 年　4 月
Vol.18　No.2 April , 　1998
植物遗传多样性及保护研究进展
李俊清
(北京林业大学森林资源与环境学院 , 北京　100083)
摘　要　根据国内外最近资料和作者的研究体会 ,综述目前生物多样性的概念 、研
究方法和研究动态 ,文章比较了应用形态 、分类 、同功酶 、RFLP 和 RAPD方法研究
栎树的最新结果 ,介绍了研究目标和采用方法的相互关系 ,分子生物学方法在生物
多样性 ,尤其是遗传多样性研究中的应用。结合概念 、方法和结果的讨论 ,文章最后
介绍一些有关生物多样性保护方面的理论和方法以及国际国内生物多样性保护研
究的发展动态 。
关键词　生物多样性;栎树;保护生物学
RESEARCH PROGRESSESOF GENETIC DIVERSITY IN PLANTS
Li Jun-qing
(Beijing Forestry University , Beijing 100083)
Abstract　This paper summarized the concepts , methods and dynamics in recent biodi-
versi ty research according to the up-to-date publicat ions in the world and the au-
tho r s experiences.Some methods and techniques , such as mo rphorlogy , taxanomy ,
isozyme , RFLP and RAPD , have been comparied on the oak research.Research objec-
tives and their corresponding techniques must be considered as the preliminary condi-
tion for the expected results Molecular biology methods are very important fo r the bio-
diversity , part icularly for the genet ic diversity studies.Combined wi th the concept ,
methods and result discussion , this paper int roduced some recent development tendency
on biodiversity conservation research.
Key words　Biodiversi ty;Oaks;Conservat ion biology
国家自然科学基金资助(No.39570137)。　收稿日期:1997-8-8
1.前　　言
“生物多样性(Biolog ical Diversity)”一词在生态学或生物学教科书中已有很长时间的应
用历史。但直到80年代 ,随着 Lovejoy(1980)和 Norse &McManus(1980)论文的发表 ,生物
多样性研究才有了长足进展 ,其概念也由简单的仅包括物种数(Lovejoy , 1980)和物种丰富
度(Norse &McManus , 1980),演变到包括遗传(种内),物种(种数)和生态(生物群落)多样
性(Norse , 1986)。尤其是自本世纪 80年代末以来 ,生物多样性问题成为人们关注的热点 ,
爆炸性地出现在各种大众媒介 、政府文件 、科学论文和学术会议中。1988年“生物多样性”
一词首次出现在生物学文摘(Biological Abst ract)数据库“BIOSIS”中 ,仅被涉及 4次 ,到1994
年 4月止 ,这一词汇被提及888次(Harper , David &Hawksw orth , 1996)。人们把现代生物
学研究重点集中到生物多样性问题上 ,并且与人口 、资源和环境联系在一起 ,目的是唤起全
世界对生物多样性的重视 ,保护人类赖以生存和发展的生物资源 。
根据化石记录 ,地球上的动植物经历了 6亿多年的自然演化过程 ,形成今天复杂而丰富
的生物多样性 ,也构成我们人类的巨大财富 。然而 ,在逐渐深入的生物多样性研究中 ,人们
发现由于地质气候变迁和人为干扰 ,世界很多地区生物多样性在迅速减少 ,甚至一些珍贵的
物种在灭绝 ,由此引发了我们的保护动机。
本世纪 90年代后 ,我国生物多样性研究飞速发展 ,不但出版了有关专著(陈灵芝 ,1993;
钱迎倩 ,马克平 ,1994),而且还办起了《生物多样性》杂志 ,从这点看 ,虽然起步晚 ,但却能紧
跟世界的前沿。另外 ,中国生物多样性研究的范围广 ,内容复杂 ,很多人认为生物多样性是
生物及其与环境形成的复合体以及相关的生态过程总和 ,包括生物与生存环境形成的复杂
的生态系统多样性和景观多样性(马克平 ,1993;Barbier , Burgess &Folke , 1994)。相应的 ,
有关物种和生态系统 ,甚至包括景观多样性的研究很多 ,而遗传多样性方面的工作很少。
Harper , David &Hawksworth(1996)不同意生态系统多样性(更不会同意景观多样性)的
提法 ,认为生态系统包括了有机体群落和无机环境两部分 ,而后者显然是没有生物多样性
的。
尽管学术界对生物多样性高级层次意见不一 ,但都重视遗传多样性和保护研究(Emb-
ley , Hirt &Williams , 1996;Templeton , 1996;Lovejoy , 1996),都认为遗传多样性是其他
一切多样性的基础和最重要的成分(Barbier , Burgess &Folke , 1994;Spiess , 1989;Hart l
&Clark , 1989;Ing rouille , 1992)。一个种群没有遗传多样性就不能进化 ,也无法适应其生
存环境的变化。由于人类活动的影响 ,环境正在全球尺度上发生变化 ,很多物种将不得不适
应这一变化或承受更大灭绝机会的考验 。遗传多样性对物种和群落多样性有决定性作用 ,
因为 ,物种能使谱系发展 ,而进化能力的维持却要靠遗传多样性的存在 ,物种多样性来自于
进化时间内的遗传多样性(Templeton , 1996)。笔者在做这方面研究工作中(Li &Wang ,
1995;李俊清 ,1996a;b),注意到生物多样性的研究进展和不同层次多样性的学术意义 ,认
为我国应加强遗传多样性研究 ,现把接触到的一些实验室研究情况和收集到的资料综合整
理如下 ,为读者提供参考 。
2.遗传多样性的含义
遗传多样性可用来描述种群遗传变异和维持变异的机制。遗传变异可以在各种水平上
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测量 ,高等生物基因组(genome)包含有 4 ,000到 50 ,000个结构性基因位点 。因此 ,为了测
定一个种群基因变异的确切数值 ,必须研究所有的位点 ,然而这是不可能的 ,所以只能选择
少量的基因去估测全部基因变异。由于基因多态程度随基因位点而变化 ,所以我们必须随
机选择一些基因位点 ,然后做这些位点的等位基因频率和多样性分析 。
2.1　基因频率
某一种群的特定等位基因频率叫基因频率或等位基因频率 。等位基因频率是基因多样
性研究的基本参数 ,种群基因变化由其频率变化来描述。考虑一基因位点有二个等位基因
A1和 A2 ,双倍体种群等位基因位点上有三种可能的基因型:如 A1A1 、A1A2 和 A2A2 。让
N11 、N12和 N22分别代表 A1A1、A1A2 和A2A2 的数量 ,且 N11+N12 +N22=N 。A1A1 、A1A2 和
A2A2的相对频率分别是 X11 =N11/N 、X12=N12/N 和 X22=N22/N 。A1 基因频率或等位基
因率为:x 1=(2N11+N12)/(2N)=X11+X12/2;显然 A2 的基因频率是 x 2=1-x1 。
理论上 ,基因型频率可取 0 ～ 1之间任何非负数 ,且 X11+X12+X22=1 。然而 ,很多有机
体随机交配 ,基因型由雌雄配子随机组合产生 。这种情况下基因频率由(x1 +x2)2 扩展给
出:x11=x21 , x12=x1x2 , x22=x22 ,这个特性叫 Hardy-Weiberg 定律。当考察大量等位基因位
点做种群遗传变异研究时 ,变异量通常用每个基因位点多态位点比例和平均异合子性表示。
如果一个基因位点上最常见(most common)等位基因频率等于或小于 0.99 ,我们就称之为
多型的 。显然这个定义有很大的主观性 ,因为到底最常见基因频率 x0=0.95是多型的 ,还
是 0.995是多型的无多少道理 。不过 ,当种群数量(n)小于 50时 ,以 x0 =0.99 为标准就不
够合适 ,因为在这种情况下 ,一个种群基因频率小于 1/2n的等位基因 ,即使它具有 0.01或
更大些的基因频率也不一定在样本中出现 。另一个问题是当所考察位点数(m)很少时 ,多
形性等位基因比例受取样误差影响较大 。正因为这些问题 ,用多型性等位基因比例度量遗
传变异 ,需要考察足够多的位点和个体才能保证其准确性。
2.2　基因(遗传)多样性
基因多样性也叫异合子性 ,它的度量不依赖于多型性的主观定义 ,而是根据基因频率。
首先考察 —随机交配的种群 ,让 xi代表一个位点上第 i个等位基因种群频率 ,这个位点上的
异合子性(h)被定义为:h=1-∑m
i=1x
2
i
这里 m 是等位基因数 ,平均异合子性即基因(遗传)多样性(H)则是所有基因位点的平
均值 ,也等于一个随机抽取个体异合子等位基因的期望比例 ,它有明确的生物学意义 。不过
在单倍体或多倍体有机体中 ,异合子性概念不能用 ,即使在二倍有机体如基因型频率偏离
Hardy-Weinberg 比例 ,H 也不等于平均异合子比例 。不过我们可以认为从一个种群选出
来的两个随机交配的基因概率是不同的 ,这个概率等于随机交配二倍体种群的异合子性 ,且
可定义为基因频率或异合子性 ,Nei(1987)将此值称为基因(遗传)多样性 ,认为这个简单的
遗传变异的度量指标可用于单倍体 、二倍体和多倍体等任何有机体 ,不管是否随机交配或无
性繁殖。
2.3　遗传距离(D)
D=-LnI , I=Pxy/(PxPy)1/2 ,Pxy=∑xiyi , xi和 yi代表种群 x 和种群 y 在同一基因
位点上第 i个等位基因的频率 , Px=∑x2i , Py=∑y2i 。
2.4　Hardy-Weinberg平衡:χ2=∑{ O-E -0.5}
E
2292期 李俊清:植物遗传多样性及保护研究进展
此公式应用 YATES 修正项 ,其中 O代表观测值 , E代表理论值
2.5　固定指数:Fis= X-x2
x(1-x)
其中:X代表某等位基因纯合子基因型频率 ,种群自交和杂合子适合度小于纯合子时 ,
Fis>0;相反 ,种群杂合子适合度大于纯合子时 , Fis<0 ,固定指数是对基因型偏离 Hardy -
Weinberg 平衡的测量 。种群遗传学还有 2个描述分异程度的参数 ,Wright(1951)的 Fst或
Nei(1987)的 Gst 。此二参数都是用特定等位基因频率变异描述种群等位基因的排列 , Gst统
计是Wright的 F st的多等位基因扩展 。下面以栎属(Quercus L.)植物为例 ,介绍国内外有
关遗传多样性研究概况与进展 。
3.栎属植物的起源和物种多样性
栎属植物是壳斗科(Facacaea)中种类最多 、分布最广 、生物学生态学特性最明显和经济
效益最高的属。全世界栎属植物 450种(Jones , 1974),分布在北半球的亚洲 、欧洲 、北美洲
和非洲大陆 ,南北跨约 40个纬度 ,东西约 75个纬度。在栎属植物中既有高大的乔木 ,也有
低矮的灌木;既有落叶类 ,也有常绿类。栎属植物生产量在世界木材生产中也发挥着重要作
用 ,如在欧洲 ,法国栎树是全国木材年产量的 17%和全部木材蓄积量的 25%(Flies , 1993)。
栎属植物种类 、形态和分布的多样性 ,导致了它们分类 、繁殖和进化的复杂性 ,加上各大陆地
质和气候综合作用下所发生的遗传变异与进化 ,栎属植物的生物多样性与种间种内进化关
系成为世界热点研究问题之一 ,具有重要的理论和实践意义 。
3.1　植物学上的发现
最早的栎树化石是从北美渐新世沉积中发现的坚果 、雄花序 、花粉和叶化石 。在北欧白
令海峡的琥珀化石中 ,也发现了与现代栎类植物相像的雄花序和星状毛 ,但是这些化石与看
起来象三棱栎属(Trigonobalanus)的果实同时出现 ,所以需要进一步研究才能定论(Nixon ,
1993)。在整个第三纪晚期地层中 ,栎树的叶化石和印痕是十分丰富的 ,其中很多都被确认
为是现代栎属植物的近亲 ,尤其是出自北美的化石 。这表明从那时起 ,栎树植物群就已有很
突出的多样性(Nixon , 1993)。
3.2　高山栎类与冬青栎(Q .i lex)的发生学关系
我国硬叶常绿栎林通常是指由壳斗科栎属中高山栎组树种组成的常绿阔叶林 ,其中绝
大多数种类生长于海拔 2600m —4000m 之间(李文化 , 1985;杨钦周 , 1986;梁红平 ,任宪威 ,
刘一樵 ,1990),主要分布在川西 、滇北以及西藏的东南部。这里虽然具有明显夏季雨热同季
的大陆型气候特征 ,却与夏旱冬雨的地中海型气候区的硬叶栎类完全相同。从物种多样性
看 ,中国东喜马拉雅硬叶栎林种类远比地中海及加利福尼亚丰富得多 ,而且都是中国 —喜马
拉雅特有种(杨钦周 ,1988)。
喜马拉雅地区高山栎组植物在形态及对干旱生态环境的适应上 ,与地中海区冬青栎
(Q.i lex)有很大相似性(李俊清 , 1996c;贺金生 ,陈伟烈 ,王勋陵 , 1994)。我国学者曾将高
山栎类误定为冬青栎 ,实际上 ,中国东喜马拉雅地区的硬叶栎类除西藏高山栎(Q .semi-
carpi folia)分布在阿富汗 、印度的库蒙(Kumeng)、不丹和缅甸北部之外 ,其余种类都是中国
喜马拉雅特有种(杨钦周 , 1988)。Pons & Vernet (1971)和 Barbero , Loisel & Quezel
(1992)通过花粉化石研究表明 , Q .i lex 可能起源于渐新世 ,认为第三纪时冬青栎遍布南部
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欧洲 ,而那时地中海型气候尚未形成。另外 ,冬青栎传粉受精作用发生于 7月 ,这一事实也
支持这一假说。冬青栎较高的生理可塑性也说明它是在地中海气候的形成过程中保留和发
展起来的。虽然目前冬青栎主要分布于地中海盆地 ,但很有可能不是地中海起源的(梁红
平 ,任宪威 ,刘一樵 , 1990)。许多古植物化石研究表明 ,冬青栎自中新世晚期到现在一直分
布在欧洲 ,似乎并未分布到东亚 ,这说明中国 —喜马拉雅硬叶栎类与地中海硬叶栎类没有直
接联系(杨钦周 ,1988)。中国喜马拉雅地区硬叶常绿阔叶林自上新世中晚期就大量存在 ,在
青藏高原和地中海之间 ,在欧亚大陆与北美之间曾经发生过植物交流和传播 ,东喜马拉雅地
区与地中海地区硬叶栎林的相似性 ,可能是二者在发生和演化上具有相同的祖先而且平行
发展 。东喜马拉雅地区的硬叶栎林 ,可能是古地中海沿岸热带植被在喜马拉雅造山运动时
期 ,青藏高原抬升过程中直接衍生和残遗的类型 ,有些种是第三纪的残遗植物(梁红平 ,任宪
威 ,刘一樵 ,1990;杨钦周 ,1988)。但关于二者的发生过程和传播途径 ,至今仍是一个有待研
究的课题 ,需要在植物学 、形态学和分子系统学等各方面研究的不断补充和完善 。
4.栎属植物的分类与形态多样性
4.1　国外的相关研究
壳斗科植物分类及种间关系问题一直是学术界争论热点。最近关于栎属植物系统发育
研究证明 ,栎属特别接近在热带地区发现的三棱栎类(Trigolobalanus 、formanodendron 和
Colombobalanus 。)。Epperson(1992)通过对 33 种栎树 , 17 个形态特征和 92个基因位点叶
绿体 DNA(cpDNA)的聚类分析 ,提出将栎属分成四个单元组:青冈栎组(cyclobanopsis)、红
栎组(Ery throbalanus)、栎组(Pro tobalanus)和白栎组(Leucobalanus)。依照 May r所提出的生
物种概念 ,种是相互间能够或有潜在的杂交可育性的生物体组合 ,这一概念应用于栎属则不
适用 ,因为栎属下传统的分种间有很多种可以杂交 ,这一遗传学的分种概念应用于栎属 时 ,
种间界限难以区别 ,所以遗传学分种概念不能做为一个稳定有效的命名系统。
Dupouey &Badean (1993)研究了法国西部三种栎树(Quercus robur , Q .petraea 和
Q.pubescens)形态变异。他们从 80个地理区域和生态环境差别较大地区取 800 个栎树样
品 ,并从每株树上取下叶 、果和当年枝各 10枚 ,测量 34个形态变量。应用分维相关分析证
明:Q.robur 和 Q .petraea 的形态差异明显 ,属于二者中间类型的只占总数的 3.5%,其中
Q.petraea 比 O.robur 变异大 , Q.pubescens 和 O.robur 分类界限明显 ,而 Q.petraea
和 Q.pubescens却形成一个连续的系列。
Elsner(1993)对德国北部两种栎树(Q .petruea 和 Q.robur)叶片形态变异性进行了
分析 ,建立一套种的鉴别标准 。他们从 733个栎树林分中采集叶片样品 ,测量 11 个叶片参
数。通过分析发现:除了特异性叶片之外 ,存在许多过渡类型叶片 ,有些情况下 ,同一株树上
的叶片间也存在很高变异。 Q .robur 林分中较高比例过渡类型叶片的存在 ,归因于 O .
robur 做为母本较高的杂交能力或者由于O .robur 种内具有更高的多样性。
4.2　国内关于硬叶栎类的相关研究
高山栎组包括 11个种和 1变种(郑万钧 ,1985),任宪威先生在编著《中国植物志.壳斗
科》时 ,又把 Q.pseudosemicarpi folia 从光叶高山栎中分出 ,增设一种 ,所以 ,修改后的高山
栎类分类应包括 12个种和一个变种。
贺金生等(1994)对分布在不同生态环境下的硬叶常绿阔叶林建群种高山栎组植物叶的
2312期 李俊清:植物遗传多样性及保护研究进展
形态解剖特征进行了比较研究 。结果表明 ,高山栎组植物叶的形态结构兼有非肉质旱生植
物和高山植物的性状 ,这是它们对生态环境广泛适应的基础 。每一个种除气孔器类型及腹
面二层表皮细胞性状比较稳定外 ,其它性状 ,如气孔的大小和密度 、表皮细胞的形状 、垂周壁
的类型 、叶片的厚度 、角质膜的厚度等均受环境条件修饰 ,不是稳定性状 ,不具分类学意义。
对同种的不同生活型 ,如乔木 、小乔木和灌木 ,在解剖结构上没有明显区别 。川滇高山栎
(Q.aqui folioides)叶片毛和鳞片厚度随海拔升高变化明显:海拔越高 ,毛 、鳞片厚度越大;
另外 ,随海拔的升高川滇高山栎形态特征出现明显变化 ,一般海拔越高植株越矮小(李俊清 ,
1996)。高山栎组植物叶片复表皮中含有单宁 、气孔外突 、CO2 交换增强 ,缓解了表皮附属物
增加而加大的气体交换传导阻力 ,这也是对高山环境的一种适应特征 。
贺金生等(1994)还同时把高山栎和冬青栎的形态结构进行了比较。结果表明 ,它们叶
表皮特征及对干旱适应性有很多相似之处 ,虽然它们分处于生态环境差异极大的夏雨区和
冬雨区 ,但都表现出对季节性干旱的适应性。高山栎组植物分布在雨热同季条件下 ,同时海
拔较高 ,形态上出现了厚的腺毛和非腺毛 ,而冬青栎分布区内高山环境不是主要矛盾 ,形态
上表皮毛少得多 。
梁红平等(1990)对中国常绿栎类表皮毛形态进行扫描电镜观察 ,发现 10种不同类型的
毛;单列毛 、单分枝毛 、泡状毛 、莲座毛 、单毛 、平毛 、短柄束毛 、多出毛 、星状毛和合并星状毛。
不同分类单位有不同毛类型组合 ,所有常绿栎类的叶表皮上都出现有非腺毛类型毛 ,而腺毛
仅限于某些分类单位中。这两种其本类型的毛在结构和功能上有本质区别 ,代表了物种生
态适应方式和进化途径。按叶表皮毛基本类型将我国常绿栎类划分为腺毛类群和非腺毛类
群 ,支持将常绿栎类分成高山栎组〔sect.Suber (Peicheb)Spach〕和巴乐栎组〔sect.Engleri-
anae (A.Camus)Hsu et jen〕的分组处理。他们综合叶表皮毛类型 、密度 、分枝特征提出了
我国常绿栎类各分类单位之间的亲缘关系图 。
张金谈 ,王萍莉(1986)利用光学显微镜和电子显微镜对我国栎属 30多种花粉进行了比
较深入的研究 ,结果表明:区别于落叶类 、常绿类的花粉体积小 ,30μm 以下;萌发孔为 3 拟
孔沟 ,拟孔明显 ,外壁厚。高山栎组外壁厚度为 1.3—1.8μm ,巴东栎组外壁为 1.3μm 以下 ,
表面纹饰细而密 ,颗粒不明显 ,扫描电镜下为细密不规则小突起 。同时花粉形态的研究也支
持常绿栎类高山栎和巴东栎的分组 ,虽然铁橡栎(Q .cocci feroides)、锥连栎(Q .f rancht ii)
和匙叶栎(Q.spathulata)按外部形态应属常绿类的巴东栎组 ,然而后两种外壁纹饰特征与
常绿类明显不同 ,却与落叶类相似 。虽都属于硬叶常绿阔叶林成员 ,但与亚热带东部偏湿性
常绿阔叶林在分布区域 、区系成分和植被上反应的生物气候均有明显差异 ,在花粉形态特征
上亦有变化 ,从植物分类学角度看这是值得进一步探讨的问题 ,也许遗传多样性方面的研究
能提供更有效的分类学证据。
杨钦周(1992)根据硬叶栎优势树种和海拔 、气候 、土壤以及伴生树种等特征 ,将其分为
2个群系组 10个群丛 。上述综述可看出 ,喜玛拉雅地区硬叶栎类分类主要基于形态学证
据 ,且存在很多争议 ,所以 ,更加深入和令人信服的分类系统还需要通过更多的研究 ,同时开
展分子方面的工作做为分类学上的佐证尤为重要 。
5.栎属植物的物候多样性
栎属植物不仅种类繁多 ,形态多样性复杂 ,而且在物候学特征上存在很大差异。这表现
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了它们对不同生态环境的较高适应性 ,温带地区的栎树在春季开花 ,而在热带地区花期则出
现在干旱季节(Ducousso , Michaud & Lumaret , 1993),这是与其风媒传粉生物学特性相应
适。在西班牙 85%的 Q .ilex 在夏末或秋季有一个二次开花期 ,林分内树与树间从花苞绽
放到各个开花阶段都不同步;30%以上个体每年开花时间都不同(Ducousso , Michaud &
Lumaret , 1993)。
栎属植物生殖周期和花粉形态也表现出很大差异:白栎组(Lepidabalanus)种子在一个
生长季内成熟;红栎组(Erythrobalanus)种子成熟则需两个生长季 。Ellena-Rossello (1993)
通过连续三年对 Q.suber 天然群体的花期 、授粉期 、植物区系结构等物候学现象观察发现 ,
Q.suber 存在两种不同的结实周期:一年型(与白栎相同)和两年型(与红栎相同)。 Q.
suber 群体内不同个体间 ,以及群体之间都表现出显著的物候学变异 。虽然 Q.suber 雌雄
同株 ,但在群体内部存在着雌花数量极少而不结实的“雄树” ;雄花极少且形成的雄花序在传
粉前脱落的“雌树” ;从不开花且叶生物量最大的“营养树”和两种花都具备种实产量较高的
“两性树” 。对于不同生殖周期的存在 ,作者解释为其对地中海型气候变化大 、气候类型多样
的一种可塑性适应。
Daubree(1993)在试验的 23个 Q .rubra 天然分布群体和引种群体之间 ,叶片着色和花
绽放两种物候学特性不一样。天然群体中存在着明显的渐变群 ,北方 Q .rubra 花芽绽放
和叶片着色都早于南方 ,而引种群体间则不存在显著的经向和纬向地理变型。
6.栎属植物的分子水平多样性
生化标记物和分子遗传标记物直接与基因型相关 ,而形态学特性则经常要受到周围环
境的强烈影响 ,而且还要受到各种自然选择因素的作用 。所以 ,生化和分子标记物能检测出
很多不同水平上的多样性 ,近年来被广泛应用于分子系统学 、种群遗传学 、林木改良等多个
领域 ,并被用来做为分类学上强有力的佐证和检验手段((S trauss , 1992;Wanger , 1992;
Neale , 1992)。以生化和分子标记物为手段进行遗传多样检测被广泛应用到了木本植物研
究中 ,近半个世纪来 ,很多学者通过对基因结构和遗传多样性的测定分析 ,进一步研究全球
植被地史变化(Thompson , 1992;Ferris , Oliver &Hevit t , 1993)、基因流(Erson , 1992;Sla-
trand , 1992 , Admas , 1992;Ducousso , 1993)、基因多样性保护(Millar &Westfall , 1992;
Bush &Dmouse , 1992;Varela , 1992;Meritz , 1994;Hedrick &M iller , 1992:Milligan ,
Leebens-Mack & Strand , 1993)、以及物种起源(Coyne , 1994;Wright , 1982;Mayr ,
1994)、种群结构(Weir &Cockerbam , 1984;Wright , 1965;Wright , 1951)和分子进化(Li
&Graur , 1991)等问题。生化和分子标记物也广泛应用于栎属植物的研究中。
6.1　冬青栎(Q.i lex)的花色素苷多态性
Lebreton (1993)研究法国冬青栎原花色素苷(Proanthocyanic)多样性发现 ,对于每一单
株来说 ,原翠雀素(Prodelphindin)含量稳定不变 ,不受年龄和叶片着生位置的影响;但对一
群体内不同单株来说 ,这种物质含量表现出显著差异。除了原花色素苷外 ,橡实中脂类成分
也曾被用来做为冬青栎系统学研究的辅助手段(Lebreton , 1993)。
6.2　等位酶或同功酶的应用
Yacine(1987)用等位酶基因频率变异来说明意大利和西班牙冬青栎群体的分化;Afzal
-Rufcil(1988)用同功酶电泳分析 13条过氧化物酶条带 ,来揭示意大利和西班牙群体间的
2332期 李俊清:植物遗传多样性及保护研究进展
差别 。Ducousso , Michaud &Lumaret(1993)应用等位酶对核基因组的检测证明 ,栎属各种
间及群体间的基因流要明显大于其它植物 ,种群间基因分化很弱 。与由 DNA的多态性检
测到的叶绿体基因组相比较 ,核基因很弱的结构化表明栎属花粉的可动性要高于种子可动
性。法国境内 18个 Q .petraea 群体的 6个酶编码位点变异性研究表明:其中三种同功酶
属于初级代谢酶(g roupe Ⅰ),另外三种为次级代谢酶(g roupe Ⅱ)。根据 g roup Ⅰ的结果:西
部群体较东部和最南部群体有较高的杂合度 ,同时群体间分化程度很低 ,中部群体与整个分
布区的群体具有相同大小的分化强度。由 group Ⅱ得出的分化程度要高于由 g roup Ⅰ得出
的结论(Zanette , 1993)。以等位酶多态性为基础 , Michaud (1995)分析了空间不连续性对
法国 Q .ilex 遗传变异的影响;Zanet to(1994)检测了 Q .robur 和 Q .petraea 种内种间分
化的地理变异性;Lumaret(1991)检测了地中海气候区 Q .i lex 的遗传多样性;Sork(1993)
分析了美国 Q.rubra 大范围地理区域和小规模群体的遗传结构;Kremer &Petit (1991)
和 Petit , Wagne &Kremer(1990)等人评估了欧美大陆 Q.Laeuis 和 Q.margaretta 的种
群结构和遗传变异。
6.3　细胞器 DNA 的 RFLP 与总 DNA的 RAPD应用
6.3.1　等位酶和 cpDNA对 Q .robur 和Q .petraea 的检测
虽然 Dupouey &Badean(1993)在形态特征上给出了两种栎树的多样性 ,但在同功酶
水平上却检测不出任何差别 。Zanet to , Rossel &Kremer (1994)研究了 Q.robur 和 Q.
petraea 14个种群的遗传变异。首先 ,由编码 13 个基因位点的 11个等位酶淀粉凝胶电泳
分析证明:二树种具有完全相同的等位基因 ,基因频率变化也很小 ,种群两个水平上表现出
相似的基因多样性(Q.robur 是 0.252 , Q.petraea 是 0.245)。同一树种各种群的变异很
小(Q .robur 的Gst=0.024;Q .petraea 的 Gst=0.032)。尽管种群分化较小 ,但 Q.pe-
traea 似乎比Q .robur 分化更强 ,二树种总的基因分化为 0.064 ,其中种群间为 0.031 ,物种
间为 0.033。
等位酶检测与形态分析结果相悖 ,无疑是方法和手段不够精确 ,因为任何一种能稳定遗
传的形态特征出现必然要受其基因所控制。Kremer &Petit(1991)在细胞器水平上进一步
分析 ,他们从出土 3—4周的栎树幼叶中提取总DNA(Petit , Wagne &Kremer , 1990;Doyle
&Doyle , 1987),然后用限制性核酸内切酶去切 cpDNA和核 DNA 。由于两种基因组的甲
基化作用不同 , cpDNA限制性片段就可以用溴化乙锭在琼脂糖凝胶上染上可见的条带。他
们研究整个欧洲地区 Q.robur 和 Q .petraea 的 cpDNA 三种内切酶(Ava Ⅰ 、Cfo 和 Hind
Ⅲ)基因位点 ,结果无论是种内还是种间细胞器 cpDNA ,上述两种仍无差别 。虽然两种都表
现高度的基因多样性 , Q .petraea 种群平均遗传多样性为 0.275;Q .robur 为 0.264 ,但它
们之间却找不到明显的不同之处。为此 Petit , Wagne &Kremer (1993)又用核糖体 DNA
进一步做 Q .robur 和 Q.petraea 的多样性分析 ,得到的结果与上述等位酶的结果相同 ,两
种栎树间存在的形态差别 ,无法在基因水平上找到根据 。
6.3.2　随机扩增 DNA 对 Q.robur 和 Q .petraea 的检测
从理论上说 ,物种间可遗传形态差别是由遗传基因决定的 ,这个遗传学规律不容动摇 ,
那么上述结果的可能解释只能是所使用的生物化学标记物问题了。测定的等位酶和
cpDNA只是整个基因组的一小部分 ,以至于真正控制两树种性状的基因未被检测出来。所
以只有寻找和使用更有效的技术 ,对基因组的大部分基因进行检测 ,才有可能获得理想的结
234 植　　物　　研　　究 18卷
果。为此 ,Kremer领导他的课题组又开展随机引物 PCR(PAPD)法的基因片段研究鉴定工
作。在法国南部 Q.robur 和 Q .petraea 混交林中 ,他们取这些栎树幼苗的芽和叶 ,提取
DNA基因组(Moreau , Kleinschmit & Kremer , 1994;Saghai-Maroof , Soliman &Allard ,
1984)。扩增反应的基本条件是:(GACA)4∶47℃(GTG)5∶45℃;在转 40圈前 ,92℃温度下 ,
让DNA做变性处理 4min。当转到 40圈后 , 72℃温度下处理 10min ,进行最后一步的 DNA
双股螺旋合成反应。上述方法的研究结果证明:所试验的 45个引物中有 7个在 Q .robur
和 Q.petraea 表现明显差异 。这 7个引物所鉴别的 36个片段里 ,有 14 个出现频率差异 ,
可见 ,随机扩增技术能检测出等位酶和 cpDNA检测不出来的遗传变异规律。
另外 ,对上述关于 Q.robur 和 Q .petraea 生化标记差异不显著的另一种解释是:它们
长期生长在同一林分里 ,基因流交换使大部分基因位点的等位基因为两种所共有 。Pet it ,
Wagne &Kremer (1993)研究证明:既使用 cpDNA 方法 ,不同地理区域条件下 Q .robur 、
Q.pubescens 、Q .pyrenie 和 Q.petraea 都有十分明显的遗传分化 ,平均Gst=0.895。
6.3.3　Q .robur 和 Q.petraea 基因流
Bacilieri , Ducousso &K remer(1996)对 Q .robur 和 Q.petraea 混交林又做进一步研
究 ,目的是探讨两种栎树间的交配系统和基因流。他们在法国选一 250m×250m ,约 120年
生 ,426株树的林分 ,分开母树 、幼苗幼树和种子 ,利用 41 个形态指标和 RAPD技术作对比
分析。在进行数据处理时 ,他们又按 Q.petraea 周围是 85.5%的 Q.petraea 和 67.8%的
Q.robur , Q.robur 周围是90.0%的 Q.robur 和60.0%的 Q.petraea 组合进行统计 ,探
讨两种间的基因流 。结果证明:两树种几乎完全是由杂交产生的(bacilieri , Ducousso &
Kremer , 1995;1996),在不同年份和不同处理条件下 , Q .petraea 对 Q.robur 后代的遗传
贡献率是:17%～ 47%;相反 , Q.robur 对 Q .petraea 的遗传贡献率是-20%。两种间存
在着由 Q.petraea 向 Q.robur 的定向基因流。基因定向流动导致林分内两类植被间的定
向演替。 Q.robur 是一个先锋树种 ,它在林分内逐渐被 Q .petraea所替代 ,最终形成一片
由 Q.petraea 占绝对优势的栎林 ,基因流导致种间遗传距离减小 ,共有等位基因比例增大
和森林群落的演替。
7.遗传多样性研究方法比较
上述栎属植物遗传多样性研究基本以等位酶 、RFLP 和 RAPD分析为主 ,揭示有关地理
变异 、系统进化和遗传结构方面的一些规律性 ,不过还有很多遗传多样性研究尚未涉及 ,或
者说还没有人做栎属植物的这种研究工作。通过等位酶 、RFLP 和 RAPD等 DNA 分析方法
所测得的物种或种群遗传多样性 ,还能解决很重要的分子水平上的生物多样性问题(李俊
清 ,1994)。细胞器 DNA 遗传不遵从孟德尔规律 ,被子植物叶绿体和线粒体基因通过有性
繁殖的雌配子传递 ,少数裸子植物叶绿体基因通过花粉传递 ,不过 ,线粒体基因始终是母系
遗传的 。根据这种细胞器基因遗传特点 ,可进行更深入和更广泛的植物遗传多样性研究
(Got tlieb &Subodh , 1988)。Hamrick &Godt(1989)根据分类地位 、生活型 、地理区域 、纬
度分布 、繁殖系统 、种子扩散和演替状态 7个特性把每一植物进行分类 ,表 1是其分析结果。
所有这些特性中 ,地理区域对物种水平上的影响最大 ,广域分布物种的遗传多样性(h)达 0.
20 ,几乎是窄域分布物种的 2倍。这个特性在种群水平上也有表现 ,但种群水平最显著的还
是繁殖系统。自花授粉植物种群的多型性只是部分或全部异花授粉的一半 ,繁殖系统也是
2352期 李俊清:植物遗传多样性及保护研究进展
决定种群分异程度的首要因素 ,自花授粉植物种群比异花授粉植物种群的分异程度高得多。
表 1 物种和种群水平上高等植物的等位酶变异分析
Table 1　The allozyme variation analysis of higher plants at the species and population
levels.＊
类别
Items
N
种内(S)　Int ra-species 种间(P)　Inter-species
P A h P A h
G st
繁殖系统
自花授粉 113 42 1.69 0.12 20 1.31 0.07 0.51
———虫媒 64 40 1.68 0.12 29 1.43 0.09 0.22
———风媒 9 74 2.18 0.19 54 1.99 0.20 0.10
虫媒杂交 164 50 1.99 0.17 36 1.54 0.12 0.20
风媒杂交 102 66 2.40 0.16 50 1.80 0.15 0.10
地理区域
特有分布 81 40 1.80 0.10 26 1.39 0.06 0.25
窄域分布 101 45 1.83 0.14 31 1.45 0.11 0.24
地区分布 180 52 1.94 0.15 36 1.55 0.12 0.22
广域分布 85 59 2.29 0.20 43 1.72 0.16 0.21
生活型
一年生咱 140 51 2.07 0.16 30 1.48 0.11 0.36
短命植物 152 41 1.70 0.12 28 1.40 0.10 0.23
木本长寿 110 65 2.19 0.18 50 1.79 0.15 0.08
种子扩散
重力扩散 198 46 1.81 0.14 30 1.45 0.10 0.28
附着扩散 55 69 2.96 0.20 42 1.68 0.14 0.26
炸裂扩散 27 30 1.48 0.09 21 1.25 0.06 0.24
动物取食 67 46 1.69 0.18 32 1.48 0.13 0.22
风力扩散 105 55 2.10 0.14 43 1.70 0.12 0.14
注:N:某类物种的最小数量;P:多型基因位点比例;A:基因丰富度;h:平均基因多样性;＊引自Ham rick &Godt(1989)。
Note:N:Minimum Number of a species;P:Proportion of Polymorphic Loci;A:Rich ness of Gene;h:Average Gene Diversi-
ty;＊ From Hamrick &Godt(1989).
物种与种群水平上的遗传多样性在下述特征上呈现出相似的规律 ,如分类地位:裸子植
物比单子叶植物变异大 ,而后者又比双子叶植物变异大;又如纬度分布:北方植物比温带和
热带地区植物变异大;再如演替阶段:演替后期阶段的植物比中期或初期演替阶段植物的变
异大 。Liu &Funier (1993)应用等位酶 、RFLP 和 RAPD 三种标记物比较两种欧洲山杨
(Populus tremuloies &P.g randidentata)多型性水平(表 2),结果是 RAPD标记物经 RFLP
和等位酶标记物的多型性高。
236 植　　物　　研　　究 18卷
　　表 2　等位酶 、RFLP 和 RAPD 检测两种欧洲山杨多型性百分率(P)、等位基因丰富度
(A)和平均遗传多样性(h)＊
Table 2　Polymorphic Proportion(P), Richness of alleles(A)and Average gene diver-
sity (h) of two European Populars determined by allozyme , RFLP and
RAPD.＊
物种
Species
标记物
Markers
检测数量
Number
基因位点
Locus
P A h
P.trem uloides Allozyme 118 13 77 3.3 0.25
RFLP 91 41 71 3.3 0.25
RAPD 102 61 100 2.0 0.30
P.grand identata Allozyme 96 14 29 3.4 0.08
RFLP 75 37 65 4.8 0.13
RAPD 95 56 87 1.9 0.30
＊引自 Liu &Funier(1993)　From Liu &Funiec(1993).
8.生物多样性保护
研究生物多样性的目的在于保护和利用 ,具有再生性的生物为人类提供了食物 、药物和
有机环境条件 ,成了人类赖以生存发展的物质基础 。由于世界人口倍增及其物质和能源消
耗不断增加 ,对自然资源的需求量越来越大。世界上的少数富人追求越来越高的物质和精
神享受 ,对自然资源挥霍浪费 ,也由此造成了地球资源枯竭与严重污染 。我们只有一个地
球 ,人类活动既占领较大空间 ,又严重破坏生物再生能力 ,使生物多样性迅速减少 ,地球上出
现了新的危机。人类活动和环境变化已使物种迅速灭绝和使现存区系成分受到极其严重的
威胁状态 ,以整个生物界而论 ,物种灭绝的速度比自然过程加快约 1000倍。在 70年代 ,人
们估计 ,世界生物区系成分中受严重威胁的比率以达 10%以上。如果人类消费模式和破坏
作用仍不改变 ,到 2000年地球上所有物种的 15—20%将会消失 ,生物多样性最集中的热带
雨林每年以 800万公顷 ,即占世界所剩热带雨林 1%的速度遭到破坏 。为了保护这些可贵
的资源和生物多样性 ,Frankel &Soule(1981)研究了物种灭绝因素和生物多样性保护途径。
8.1　引起物种灭绝的因素
所谓灭绝就是一个物种或一个种群不能够通过繁殖自我维持。下列任一情况发生时即
发生灭绝:一是最后一个个体死亡;二是当剩下的个体不能够产生有生命或有繁殖能力的后
代。
8.8.1　生物因子
(1)竞争:当有机体共同利用同一有限资源时 ,或当某一类个体数量迅速增加时 ,常常
导致个体间发生竞争 。竞争分两类:一是争夺性竞争 ,即两类生物利用同一环境资源;二是
干扰性竞争:通过毒害 、攻击 、占有领土和他感作用等导致竞争。在大陆上可能导致密度下
降 ,除非在极端特殊情况下(如岛屿和人为干扰等),竞争本身绝少导致灭绝 ,但在小于一定
临界面积的岛屿上 ,也可能发生灭绝。
(2)捕食:竞争与捕食对灭绝影响很小。环境空间异质性及其大小对共存有十分重要
的作用 。在异质环境空间里 ,食饵既能躲藏 ,又有充足的空间在各种镶嵌环境片段求得生
存。捕食者并不歼灭它的食饵 ,因为如果一个捕食者只寻找那些稀有食饵物种的话 ,它就更
2372期 李俊清:植物遗传多样性及保护研究进展
容易饿死 。我们所看到的最普通现象是捕食者经常取食那些相对数量较大物种 ,而不是或
很少取食那些数量稀少物种。除上述二原因外 ,一个聪明和高度组织化的捕食者种群 ,尽量
不去捕食那些数量变得很少的物种 ,以使它们有一个最小的生产量和繁殖率。
(3)寄生与疾病:病毒的适应性很差 ,如果大量杀死或减弱寄主种群数量 ,它们自己也要
灭绝 ,从这点上说 ,疾病不可能是最主要的灭绝原因。疾病和捕食是相似的 ,都需要有一个
共存的生物维持自己 ,如果灭绝了与之共存的生物 ,其本身也就是不复存在了。
8.1.2　隔离与生境破坏
岛屿物种脆弱原因有二:一是岛屿大小 ,二是对其它物种防范能力减弱 。岛屿是由一个
或几个相似的生境片段组成 ,大陆则由成千上万生境片段组成 ,且各片段的生境条件各异 ,
所以一个外来捕食者很容易在所有片段内找到食饵。另外 ,岛屿动植物逐渐丧失其竞争特
性和对捕食者的保卫特性 ,岛屿孤立时间愈长 ,这种保卫能力下降愈多。生境改变与破坏包
括缓慢地质变化 、气候变化 、灾难性事件和人类干扰。这些因素各有一定影响 ,但没有任何
一个环境因素能比得上人那样具有破坏性 、全面性和彻底性 。
8.2　生物多样性保护方法
8.2.1　物种多样性受威胁的调查 、鉴别和编目
生物多样性受威胁主要是由于人类活动和环境变化 ,通过生物本身进化上的某些脆弱
环节表达的 。当前对物种受威胁和灭绝估计除了少数通过较深入研究外 。大多从间接原
因 ,如生物地理学基本原理 、物种数量和各种生态系统面积的相关性而分析的 。90年代国
际上通过对生物多样性关键地区和典型生态系统保护研究 ,加上先进信息和计算机技术应
用 ,使生物多样性在不同地理范围内有一个更切实际的评估 。
国际上对受威胁生物物种评价 ,一直采用世界自然保护联盟(IUCN)70年代所制定的
稀有种(R)、渐危种(V)、濒危种(En)和灭绝种(Ex)评价系统 。80 年代后期 ,为了进一步了
解物种受威胁的情况和发展 ,加强物种保护工作 ,世界自然保护联盟又拟定了一个新的物种
受威胁分类草案 ,把物种受威胁的程度分成 9个级别 ,分别是:灭绝种(Ex)、野生状态下绝
灭种(Ew)、极危种(Cr)、濒危种(En)、渐危种(Vu)、敏感种(Su)、安全种(S)、不充分了解种
(Ik)和未估价种(Ne)。同时还采用了“特别关注种” 、遗传损失大小和损失严重性等标准 ,
以确定受威胁物种的优先保护次序 。
8.2.2　种群遗传多样性保护
现代生物学意义上的物种是由于许多地理或生态群体所构成 ,这些群体显示了丰富的
遗传变异 ,因此许多物种实际上包含成百 ,甚至上千不同的遗传类型 。天然群体高水平遗传
多样性的存在是群体稳定的基础 ,而物种受威胁和灭绝是以其遗传多样性消失而产生的。
人们对于野生动植物能够进行有效繁殖种群确切大小还了解得不多 ,最著名的是 Franklin
(1980)提出的研究结果:即 500个个体的种群是一个有效数量和维持不断进化的最小单位。
在这个种群数量上 ,遗传变异的丢失与基因突变的获得接近平衡 。所以 ,群体遗传结构的研
究一直是生物多样性保护的一个重要内容 ,且因其方法不同而具有不同层次。在分类学中
有亚种 、变种和家养动植物品种等种内类群:在细胞学上有染色体数目 ,分带特征和 B染色
体等区别;当前一般应用蛋白质电泳技术和同功酶技术来鉴定种内蛋白质和酶多态性;近年
来随分子生物学 ,特别是 DNA技术的进步 ,细胞核 DNA标记物 、叶绿体和线粒体 DNA 标
记物等均已应用于生物多样性保护研究之中 。
238 植　　物　　研　　究 18卷
8.2.3　遗传多样性迁地保护
经过野外考察发现某些稀有 、濒危生物不可能在它们天然生境得到有效保护时 ,必须迁
地保护。濒危动植物迁地保护有动物园和植物园保存活体 ,建立各类种质基因库 ,人工控制
条件下保存植物种子 、孢子 、花粉和组织 ,建立不同范围各类生物遗传信息数据库 ,建立濒危
生物迁地保护网系统 。
生物技术的发展正在促进濒危生物种质基因保存技术的发展和各类种质基因库的建
立。对一些短寿或不能低温 、干燥条件下贮存的种子用氧化亚氮处理 ,可使种子细胞呼吸器
吸附氧的酶结构发生微小改变 ,反过来大大降低用氧产生能量供应细胞的速度 ,使细胞活动
降到最低程度 ,耗费减缓 。利用植物细胞全能性而发展起来的组织培养技术 ,现已广泛用于
种质实验室保存 ,为解决一些种子短寿 ,不能在种子库保存植物的种质保存带来了希望。这
种方法在木本植物上难度较大 ,所保存的种质 ,尤其包含愈伤组织时 ,主要问题是遗传基因
不稳定性 。近年来 ,发现当分生组织培养在液态 N(-196℃)时 ,有保存遗传稳定性的潜力 ,
分子生物学转基因技术的迅速发展 ,又为生物基因的保存开辟了新途径 。一个分离的生物
基因 DNA ,加上适当调控元件之后可以在另一生物中表达 ,这样人们可以在低温条件下的
试管中保存具有特殊意义的各种抗逆性 DNA ,以保存生物的遗传多样性和培养转基因生
物 ,提高抗逆性 ,培育新品种等 。
9.结　　语
生物多样性有两个十分重要意义:一是人类赖以生存的物质基础 ,为人类提供一切食
物 、药物和能源 。保护生物多样性就是保护人类本身 ,植物遗传多样性的开发 ,解决当今世
界面临的粮食问题 ,保障经济建设和社会发展;二是科学研究的综合 ,生物多样性包括了遗
传 、物种和群落多样性 ,研究内容从基因 、个体到群体 ,是生命科学的综合研究。尤其是遗传
多样性的研究 ,为揭示生物分子进化 、地理分异和物种形成提供了强有力的证据和方法 ,是
推动生命科学进步的重要工具 。我国是生物多样性特别丰富的国家 ,又是世界人口大国 ,应
努力开展有关基础研究 ,科学开发和合理利用生物遗传多样性资源 ,为国家科学进步和经济
建设服务 。
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