全 文 ：植　　　物　　　研　　　究
BULLETIN OF BOTANICAL RESEARCH
第 19 卷　第 1 期 1999 年　1 月
Vol.19　No.1 Jan., 　1999
天然红松林等位酶研究
祖元刚　张恒庆　颜廷芬　袁晓颖
(东北林业大学森林植物生态学开放研究实验室 ,哈尔滨　150040)
摘　要　利用红松种子的单倍体胚乳 ,采用水平切片淀粉凝胶电泳技术 ,对采自三
个地区的天然红松林的材料进行了 10种酶系统的等位酶实验 ,共获得了 18个等位
基因位点 ,对这 18个位点等位基因的统计分析表明:红松种群的多态位点百分数为
P=77.78%,等位基因平均数为 A=2.0 ,预期杂合度为 He=0.1648。红松种群间
遗传分化程度在松属植物中属于较低水平(Gst=5.38%),在红松 18个等位基因位
点的变异中 ,绝大部分变异 94.62%来自种群内部。根据 Nei方法计算的红松三个
种群的遗传一致度和遗传距离为地理较近的小北湖与长白山地区种群的遗传距离
最小(0.0095),而地理距离最远的长白山种群与凉水种群的遗传距离(0.0143)却小
于凉水种群与小北湖种群间的遗传距离(0.0166),表明了这三个种群在起源上的复
杂性 。
关键词　红松;等位酶;遗传多样性
ALLOZYME ANALYSIS ON NATURAL POPULATION
FOR PINUS KORAIENSIS
Zu Yuan-gang　Zhang Heng-qing　Yan Ting-fen　Yuan Xiao-ying
(Open Research Laboratory of Fo rest Plant Ecology , Northeast Forestry Univ., Harbin 150040)
Abstract　Ten enzyme systems w ere tested for the endosperm of korean pine f rom
three populations using the horizontal starch gel elect rophoresis technique.18 loci were
obtained.The results indicated the ratio of polymorphic loci w as 77.78%, the average
number of alleles w as 2.0(A)and the expected heterozygous w as 0.1648(He).The
genetic differentiation(Gst=5.38%)among populat ions was low er than other species
in Pinus genus and most variations were w ithin population.According to Nei s index ,
国家教委跨世纪优秀人才培养计划基金和黑龙江省省杰出青年科学基金项目资助。
　收稿日期:1997-3-10
the genetic distance(0.0095)between Xiaobeihu and Changbai Mountain w as nearest ,
not correlation to the geog raphical distance.It show s the original complexity of popula-
tion.
Key words　Pinus koraiensis Allozyme;Genet ic Diversity
等位酶(Allozyme)是由同一基因位点的不同等位基因所编码的一种酶的不同形式〔1〕 ,
它是广义的同工酶(lsozyme)中分离出来的 ,能够很好代表 DNA 分子水平上的差异 ,表明等
位基因和位点的存在与变化的一类蛋白质 。由于松科植物种子中可以分离出单倍体的胚
乳 ,而单倍体材料的等位酶谱带具有易于判读等特点 ,所以近二十年来等位酶分析已被广泛
的应用于针叶树种群的遗传结构的研究中 ,并取得了很多的研究成果〔2 ～ 5〕。本研究对三个
不同地区的红松种群进行了 15种酶系统的实验 ,从中筛选出酶谱清晰的 10种酶系统 ,确定
了 18个等位酶基因位点 。利用这些遗传标记研究红松种群的遗传结构与基因分化 ,以此分
析不同生态条件下红松种群的遗传变异规律 。
1.材料与方法
1.1　材料
等位酶实验所用材料是采自凉水(ZHQ L)、小北湖(ZHQB)、长白山(ZHQC)三个地区
的天然红松林中成熟的球果 ,分单株采样 ,样地的具体地理位置及气候因子见表 1。每单株
随机选取 3 ～ 5个球果 ,球果在实验室内干燥 、脱籽 、净种保存于室温下备用 。
表 1 红松种群采样地点及气候因子
Table 1　Localities and ecological factors of natural Pinus koraiensis population samples
种群 经度(E) 纬度(N) 降水量(mm) 无霜期 日照(hr) 积温≥10℃ 平均温度
ZHQL 128°50′ 47°10′ 676 110 1849 1700 -03
ZHQB 128°42′ 44°14′ 529 138 2639 2611 3.5
ZHQC 127°52′ 42°8′ 800 120 2463 2200 3
1.2　样品制备
每单株随机选取 15粒成熟的种子 ,浸种 72小时后 ,随机确定 8粒种子进行等位酶实
验。剥离每粒种子的胚乳 ,加 100ul提取缓冲液冰浴中研磨 ,用滤纸条(6mm ×2mm)吸取研
磨后的提取液 ,上样电泳 ,实验按王中仁方法操作〔6〕 。
1.3　试剂及电泳条件
实验所用的凝胶淀粉的浓度为 12.5%提取缓冲液为 Tris-马来酸提取液〔6〕。实验确
定了#1号和#R凝胶电泳缓冲液。本实验所用药品均购自 Sigma公司。
2.结　果
2.1　等位酶谱带的判读
通过 10种酶系统的实验 ,确定了 18个等位基因位点 ,按酶的命名法规对酶谱中表现出
来的染色活性区进行了命名 ,酶的名称见表 2。
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表 2 酶及电泳系统
Table 2 The names of enzymes and eletrophoretic systems
名称
Name of enzyme
缩写
Abreviat ion
代号
Code of enzyme
电泳系统
Buffer system
苹果酸脱氢酶 MDH E.C.1.1.1.37 #R
异柠檬酸脱氢酶 IDH E.C.1.1.1.42 #R
磷酸葡萄糖异构酶 PGI E.c.5.3.1.9 #R
天冬氨酸转氨酶 AAT E.C.2.6.1.1 #1
过氧化氢酶 CAT E.C.1.11.1.6 #R
磷酸葡萄糖变位酶 PGM E.C.5.4.2.2 #R
乙醇脱氢酶 ADH E.C.1.1.1.1 #1
氨基肽酶 AMP E.C.3.4.11.1 #1
果糖二磷酸酶 FBP E.C.3.1.3.11 #R
莽草酸脱氢酶 SKD E.C.1.1.1.25 #R
2.2　遗传学计算
按王中仁方法对红松 18个位点上的等位基因进行了遗传学指标的统计〔6〕 ,其中遗传多
样性指标列于表 3 ,遗传结构列于表 4 ,遗传距离列于表 5 。
表 3 三个天然红松种群的遗传多样性指标
Table 3　Index of genetic diversity in three natural popualtions of Pinus koraiensis
ZHQL ZHQB ZHQC 平均
P 83.33 77.78 72.22 77.78
A 2.1111 1.8889 2.000 2.0000
Ae 1.2500 1.2169 1.2286 1.2318
He 0.1788 0.1574 0.1582 0.1648
Ho 0.2018 0.1815 0.1866 0.1900
F -0.1286 -0.1795 -0.1531 -0.1537
P:多态位点的百分数;A:平均每个位点的等位基因数;Ae:平均每个位点等位基因有效数目;He:平均每个位点的预期杂
合度;Ho:平均每个位点的实际杂合度;F:固定指数。
表 4 红松种群的遗传结构
Table 4 Genetic structure of population in Pinus koraiensis
Locus Ho Hs Ht Dst Gst
MDH-1 0.4000 0.3511 0.3546 0.0035 0.0987
MDH-2 0.2469 0.2108 0.2179 0.0072 0.0030
MDH-3 0.0593 0.0540 0.0579 0.0039 0.0673
MDH-4 0.1358 0.1104 0.1273 0.0169 0.1328
IDH 0.2346 0.2017 0.2112 0.0095 0.0450
PGI 0.3111 0.2899 0.3161 0.0262 0.0829
AAT-1 0.2407 0.2025 0.2189 0.0164 0.0749
AAT-3 0.0667 0.0615 0.0640 0.0035 0.0533
PGM-1 0.1546 0.1412 0.1475 0.0063 0.0427
PGM-2 0.0222 0.0215 0.0220 0.0005 0.0236
CAT 0.3679 0.3028 0.3126 0.0098 0.0314
ADH-1 0.2988 0.2463 0.2649 0.0186 0.0702
AMP-1 0.2559 0.2183 0.2313 0.0130 0.0562
AMP-2 0.2426 0.2111 0.2174 0.0063 0.0289
FBP-1 0.1970 0.1665 0.1746 0.0081 0.0464
FBP-2 0.0650 0.0938 0.0994 0.0055 0.0558
SKD-1 0.0830 0.0774 0.0794 0.0019 0.0248
SKD-2 0 0 0 0 0
平均 0.1990 0.1742 0.1834 0.0111 0.0569
所有位点 0.1879 0.1645 0.1732 0.0104 0.0538
Ho:平均每个位点的实际杂合度;Hs:种群内基因多样度;H t:总基因多样度;Dst:种群间基因多样度;Gst:基因分化系数
771 期　　　　　　　　　　　　祖元刚等:天然红松林等位酶研究
表 5　红松种群遗传一致度和标准遗传距离(下三角是标准遗传距离 ,括号内是标准
差)
Table 5　Genetic identity and standard genetic distance between Pinus koraiensis popu-
lation(Upper diagonal are the genetic identity and the low er diagonal are the
standard genetic distance , the figures in parentheses are the standard erro rs)
ZHQL ZHQB ZHQC
ZHQ L — 0.9838 0.9859
(0.0198) 0.0162
ZHQB 000166 — 0.9907
(0.0204) (0.0136)
ZHQC 0.0143 0.0095 —
(0.0166) (0.0138)
3.讨　论
在红松及其他裸子植物中包含有二倍体的胚和单倍体的胚乳 ,这样在等位酶实验中就
可以直接利用单倍体胚乳的电泳酶谱来分析其是否符合孟德尔的分离规律 ,很容易确定谱
带所代表的等位基因位点 。而且等位酶无论是几聚体 ,每个位点通常只显示一条带 。因此 ,
利用单倍体胚乳比利用二倍体的胚或叶子更容易确定等位基因的位点 ,本研究每单株共分
析 8粒种子的胚乳 ,若按杂合体单株的某一位点的两个等位基因符合 1:1的分离规律 ,则漏
掉一个等位基因将杂合子错定为纯合体的概率为(1/2)8-1≈0.008。
在等位酶水平上 ,衡量遗传变异的主要指标有多态位点百分数(P)、等位基因平均数
(A),平均每个位点等位基因有效数目(Ae)、观测杂合度(Ho)、期望杂合度(He)、固定指数
(F)。本研究在三个种群中发表多态位点百分数 P 在 72.22 ～ 83.33之间 ,每个位点等位基
因平均数 A在 1.8889 ～ 2.1111 之间;平均每个位点有效等位基因数目 Ae 在 1.2169 ～ 1.
2500之间;平均每个位点预期杂合度(He)在 0.1576 ～ 0.1786之间;平均每个位点实际杂合
度Ho 在 0.1815 ～ 0.2018之间;固定指数都为负值。
松属植物中的遗传变异变化非常大 ,从脂松(P.Reasionsis)的 P =0〔7〕到欧洲赤松的 P
=100〔8〕 ,不同物种显示了不同的变异水平 。与其它已研究过的松属植物相比〔7～ 10〕 ,红松的
多态位点百分数居于松属中较高的水平 ,等位基因平均数和预期杂合度处于较低水平。固
定指数 F 值小于 0 ,表明红松种群内杂合体过量 。
种群的遗传结构是指种群中的遗传变异在时间 、空间上的分布样式及规律 ,Hamrick 认
为种群的遗传结构反映了种群进化的历史过程 ,并将决定着这些过程未来的发展 。根据化
石资料的记载 ,红松早在第三纪就已经存在了 。在长期的进化历史过程中 ,由于其分布区生
态条件的差异 ,选择压力有所不同 。因此 ,不同生境条件下的红松会保留着各自独特的遗传
结构 ,不同地区的种群也会产生一定的遗传分化。通过对 18个位点所测得的等位基因数据
的计算 ,红松种群间遗传多样性仅为 0.0104 ,种群间分化度Gst为 0.058。这说明红松的遗
传差异绝大部分(94.62%)来自种群内部。这与红松的繁育系统特征有关 ,其他研究者在松
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属的研究中也证实这一点 。
地理隔离会阻碍基因流动 ,是造成物种遗传分化的原因之一 。一些研究者发现 ,某些植
物中 ,种群间的遗传距离与空间距离之间存在着显著的相关性 ,也有的研究在不同类群中发
现遗传距离与空间距离之间并无相关关系。本研究根据 Nei的方法计算了红松三个天然种
群间的遗传一致度和遗传距离 。由表 5可以看出相距较近的两个地区(ZHQB 、ZHQC)的遗
传距离最小(0.0095),这与地理距离明显呈正相关 。而相距较远的 ZHQL 与 ZHQB种群的
遗传距离 ,却大于相距最远的 ZHQC与 ZHQL 种群。这又表明红松种群空间距离与遗传距
离无相关性。杨一平对红松 SET 、MDH 和GOT 三种酶的 4个位点的实验也表现出类似的
种群分化特征 ,推测这与第四纪冰期过后 ,不同地区红松种群在恢复过程中种子来源的差异
有关 。
红松为雌雄同株植物 ,主要以风媒异花传粉 ,行有性繁殖 ,种内随机交配程度很高。因
此 ,红松种群内遗传变异较高 。在已研究过的松属植物当中 ,红松的遗传变异水平居于中等
偏高的水平 ,这与天然红松林的形成过程及红松的生活史特点有着很大的关系 。红松种子
粒大 ,无翅 ,主要靠动物传播。这增加了种子传播过程中的随机性 、不定性 。另外 ,由于红松
寿命长的特点 ,在天然红松林中世代重叠 ,其林分包括了几个不同的龄级。因此 ,整个红松
基因库中积累了较多的基因 ,形成了较广的遗传基础。
参　　考　　文　　献
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