全 文 ：植　　　物　　　研　　　究
BULLETIN OF BOTANICAL RESEARCH
第 19 卷　第 2 期 1999 年　4 月
Vol.19　No.2 April , 　1999
长白红景天天然种群遗传多样性及遗传分化
颜廷芬　周福军　阎秀峰　祖元刚
(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　本研究利用水平淀粉凝胶电泳技术对分布于黑龙江省大海林林业局平顶
山及吉林省的长白山北坡的四个海拔梯度的长白红景天的遗传多样性及遗传分化
进行了初步分析 ,对 10个酶系统的 12个等位酶位点的分析表明 ,长白红景天天然
种群中存在一定的遗传变异 ,多态位点比率 P =0.467 ,等位基因平均数 A =1.48 ,
平均期望杂合度 He=0.195 , 高于与其同一分布区的高山红景天(Rh .sachalinen-
sis)的遗传变异;长白山北坡的四个居群的遗传变异随海拔的升高基本上呈现上升
趋势为其适应高海拔(低温)提供了遗传学基础 ,其有性生殖伴随着无性生殖方式为
其维系正常种群数量提供了保障;平顶山与长白山各居群间存在着明显的遗传分化
GST=0.134 而长白山的四个居群之间遗传分化很小GST=0.091。
关键词　长白红景天;遗传多样性;遗传分化;适应
GENETIC DIVERSITY AND POPULATION
DIFFERENTIATION OF RHODIOLA ANGUSTA
Yan Ting-fen　Zhou Fu-jun　Yan Xiu-feng　Zu Yuan-gang
(Open Research Labo ratory of Forest Plant Ecology , Northeast Forestry University , Harbin 150040)
Abstract　Genetic diversity and population dif ferent iation of Rhodiola angusta were
studied in four populations in Changbai Mountain in Jilin province and one population
in Heilongjiang province using the method of ho rizontal starch gel elect rophoresis.Al-
lozyme data for 12 loci of 10 enzymes indicated level of genetic variability with P=0.
467 , A=1.48 and He=0.195 , higher than Rh.sachalinensis which share the same
distribut ion.The level of genetic variability of the four populations in Changbai M oun-
tain increasing as the altitude rising.It provided genetic basis for adapting the habitat of
黑龙江省自然科学基金项目资助　收稿日期:1998-5-20
high altitude and low temperature , at the same t ime the method of sexual reproduction
accompanied by asexual reproduction ensured the number of populations.There were
higher dif ferentiation(GST =0.134)between Pingdingshan in Heilong jiang province
and the populations in Changbai Mountain , and lower between populations of Changbai
Mountain (GST=0.091).
Key words　Rhodiola angusta;Genetic diversity;Genetic differentiation;Adaption
长白红景天(Rhodiola angusta)是多年生药用草本植物 ,在我国仅分布于黑龙江省的海
林县及吉林省的长白山的高山苔原及岳桦矮曲林下〔1 , 2〕 ,由于它的分布范围狭窄 ,生存环境
比较极端化 ,在较长期的进化过程中形成独特的遗传结构 ,这种遗传结构是其生存和发展的
前提 ,也是揭示其适应潜力的基础 。本研究采用等位酶电泳技术 ,对分布于黑龙江省海林县
及吉林省长白山的天然长白红景天种群进行研究 ,旨在了解其天然分布区内的遗传变异水
平 ,居群分化程度 ,揭示各居群适应的遗传基础 ,为合理开发利用天然植物种群的遗传资源
及保护基因资源提供科学的理论依据。
1　材料和方法
1.1　研究地点
选择黑龙江省分布区的大海林林业局的平顶山和吉林省的长白山为研究地点 ,在长白
山的北坡 ,选择其不同海拔的生境为研究对象 ,即:天文峰:海拔 2400m ,高山苔原带 ,沙质土
壤 ,土壤瘠薄;天文峰下:海拔 2200m ,高山苔原带 ,土壤相对较厚;树线处:海拔 2000m ,公路
边 ,沙质土壤 ,土壤瘠薄;小天池:海拔 1750m ,岳桦林下。根据不同居群面积大小 ,每个居群
取样个体数不同 ,天文峰 20个 ,天文峰下 10个 ,树线处 12 个 ,小天池 10个 ,黑龙江省平顶
山 27个。
1.2　样品的采集和处理
从野外取新鲜叶片 ,保存于冰盒中带回实验室 ,置于 4℃冰箱冷藏备用 。取 0.1 ～ 0.5g
鲜叶片加入 0.1 ～ 0.5ml Tris-马来酸提取液(0.20M 硼酸 ,0.02M 偏亚硫酸钠 ,0.25M L -
抗坏血酸钠 ,0.026M 二乙基二硫代氨基甲酸钠 ,0.10M 马来酸 ,0.1M Tris ,4%聚乙烯基吡
咯烷酮 PVP-40T ,1%2-疏基乙醇)〔3〕 ,冰浴研成匀浆 ,再用 6mm×3mm 滤纸小条蘸吸匀
浆 ,上胶电泳。
1.3　酶电泳实验
采用水平式淀粉凝胶电泳技术 ,所用的水解淀粉为美国 Sigma 公司产品(S-0451),淀
粉胶浓度为 12%。采用 2种凝胶缓冲系统对 13种酶系统进行检测 ,获得 10种酶系统共 12
个等位酶位点(表 1)。所采用的凝胶缓冲液根据 Soltis等(1983), Ⅰ:0.4M 柠檬酸三钠(pH
7.0)凝胶缓冲系统和 0.02M 盐酸-组氨酸(pH 7.0)电极缓冲液;Ⅱ:0.1M NaOH ,0.3M 硼
酸(pH 8.6)的凝胶缓冲液系统和 0.015M Tris ,0.004M 柠檬酸电极缓冲系统(pH 7.8)〔4〕 。
1.4　数据处理
遗传多样性以多态位点比率(P)、等位基因平均数(A)、平均期望杂合度(He)和观察杂
合度(Ho)来度量〔5 ,6〕;用 Nei的基因分化系数(GST)和遗传一致度(I)来衡量居群之间的遗
传分化的大小 ,用 UPGMA法对各居群进行聚类分析〔7〕;用 Nm 衡量基因流动的强度〔8〕。
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表 1 电泳所用的酶系统 、电泳缓冲系统和位点数
Table 1 The enzyme systems and electrophorentic data
酶系统
Enzyme system
缩写
Abbreviation
酶分类编码
EC.No.
电泳缓冲系统
Electrophoresis
buf fer
位点数目
No.of loci
磷酸葡萄糖变位酶 Phosphoglucomutase PGM EC2.7.5.1 Ⅱ 1
天冬氨酸转氨酶 Aspartate aminotransferase AAT EC 2.6.1.1 Ⅱ 2
酯酶 Esterase EST EC 3.1.1.- Ⅱ 1
磷酸葡萄糖异构酶 Phospoglucoisomerase PGI EC 5.3.1.9 Ⅱ 1
还原型辐酶Ⅰ心肌黄酶 NAD(P)H-Diaphorase DIA EC 1.6.2.2 Ⅰ 1
酸性磷酸酶 Acid phosphatase ACP EC 3.1.3.2 Ⅰ 1
异柠檬酸脱氢酶 Isocit rate dehydrogenase IDH EC1.1.1.42 Ⅰ 1
6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶Phosphogluconate dehydro-
genase
PGD EC1.1.1.44 Ⅰ 1
乙醇脱氢酶 Alcohol dehydrogenase ADH EC2.6.1.1 Ⅰ 1
亮氨酸氨基肽酶 Leucine aminopeptidase LAP EC 3.4.11.1 Ⅱ 2
2　实验结果
2.1　遗传变异性
本研究共选定了 13个酶系统 ,其中 10种获得了清晰稳定的谱带 ,共获得 12 个基因位
点。这些酶系统的种类 ,编码位点数目和检测所用电泳缓冲系统详见表 1。
表 2 5个长白红景天种群的等位基因频率及在每个位点的杂合度
Table 2　Allel ic frequence and heterozygosity in five populations of Rh.angusta
位点
Locus
等位基因
Allele
天文峰
TWF(20)
天文峰下
TWX(13)
树线
SHX(12)
小天池
XTC(10)
平顶山
PDS(27)
总体
Total
population
PGM A 0.300 0.115 0.375 0.550 0.481 0.372
B 0.700 0.885 0.625 0.450 0.519 0.628
AAT-1 A 0.800 0.923 0.100 0.900 0.926 0.902
B 0.200 0.077 0.000 0.100 0.074 0.098
AAT-2 A 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000
EST-1 A 0.400 0.654 0.250 0.200 0.519 0.433
B 0.600 0.346 0.667 0.800 0.481 0.555
C 0.000 0.000 0.083 0.000 0.000 0.012
PGI A 0.600 0.731 0.708 0.600 0.556 0.622
B 0.400 0.269 0.292 0.400 0.444 0.378
DIA-1 A 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000
ACP-1 A 0.425 0.346 0.375 0.250 1.000 0.573
B 0.575 0.654 0.625 0.750 0.000 0.427
IDH A 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000
PGD A 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000
ADH A 0.575 0.115 0.417 0.350 0.537 0.439
B 0.425 0.885 0.583 0.650 0.463 0.561
LAP-1 A 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000
LAP-2 A 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000
1912 期　　　　　　　　　　　　颜廷芬等:长白红景天天然种群遗传多样性及遗传分化
检测到的 12个基因位点中(表 2)检测到 6个多态位点(有两个以上等位基因即 PGM ,
AA T-1 ,EST -1 ,PGI ,ACP和 ADH),其中只有一个基因位点(EST)检测到了 3 个等位基
因 ,6个单态位点(AA T -2 ,DIA , IDH ,PGD , LAP -1 , LAP-2), TWF 和 SHX检测到 6 个
多态位点 ,PDS和 TWX检测到 5个多态位点。平均多态位点比率为 46.68%,期望杂合度
为 0.195 ,各居群则表现不一样(从 0.16到 0.22变化)。总体看来 ,实际观测的杂合体比率
与理论期望比率相当(F =-0.067),但在各居群中则表现不一 , TWF ,XTC , PDS 居群表现
为杂合体过量 , TWX则表现出纯合体过量 ,而在SHX则达到了 Hardy-Weinberg 平衡。
表 3 长白红景天居群的遗传变异性指标
Table 3 Genetic variabil ity at 12 loci in all populations for Rh.angusta
种群 population P(%) A Ho He F
天文峰 TWF 50.0 1.5 0.325 0.229 -0.419
树线 SHX 50.0 1.5 0.160 0.160 0.000
天文峰下 TWX 41.7 1.5 0.174 0.202 0.139
小天池 XTC 50.0 1.5 0.142 0.202 -0.297
平均值 Mean 47.9 1.5 0.201 0.198 -0.015
平顶山 PDS 41.7 1.4 0.238 0.181 -0.315
总平均值 Total Mean 46.68 1.48 0.280 0.195 -0.067
2.2　居群遗传分化大小
由表 4数据可见 ,各居群存在一定程度的遗传分化程度。基因分化系数 GST=0.134 ,
即在总的遗传变异中有 13.4%的变异存在于群体间 , 86.4%存在于各居群内 。5 个长白红
景天居群总的遗传多样性为 0.217 ,其中种群内的遗传多样性 0.188 ,种群间的遗传多样性
为 0.029。在 ACP 位点GST=0.270 ,说明位点上分化比较明显 ,PDS 居群的 ACP 位点是纯
合的 ,在此居群中得到了固定 ,而在其它四个居群中ACP位点则呈现不同程度的杂合性 。
由Nei〔9〕计算的居群间的遗传距离和遗传一致度(见表 5),居群间的遗传距离比较小 ,
从 0.009(TWX和 XTC)到 0.082(SHX和 PDS)变化 ,遗传一致度由 0.921变化到 0.991。
平顶山与其它四个居群之间的遗传距离(0.042 ～ 0.075),基本上大于其它四个居群两两之
间的遗传距离(0.009 ～ 0.049)。
表 4 长白红景天种群的基因多样性及分化＊
Table 4　Analysis of gene diversity and differentiation of Rh.angusta populations
位点 Locus 总遗传多样性 HT 种群遗传多样性 HS 种群间遗传多样性 D ST 分化度 G ST
PGM 0.467 0.417 0.050 0.107
AAT-1 0.177 0.156 0.021 0.119
EST-1 0.504 0.448 0.056 0.111
PGI 0.470 0.425 0.018 0.038
ACP 0.489 0.357 0.132 0.270
ADH 0.493 0.426 0.067 0.136
平　均 0.217 0.188 0.029 0.134
＊G ST平均值由 HS 和 DST的平均值计算得到〔GST=(H T-HS)/ HT〕;
192 植　　物　　研　　究　　　　　　　　　　　　　　　19 卷
　　表 5 长白红景天遗传一致度和遗传距离(下三角是遗传距离)
Table 5　Genetic identity and genetic distance between Rh.angusta populations (the
lower diagonal are the genetic distance)
TWF SHX TWX XTC PDS
TWF - 0.965 0.989 0.980 0.959
SHX 0.036 - 0.970 0.952 0.921
TWX 0.011 0.031 - 0.991 0.949
XTC 0.020 0.049 0.009 - 0.928
PDS 0.042 0.082 0.053 0.075 -
图 1　5 个长白红景天居群的 UPGMA 聚类
Fig.1 　UPGMA clustering based on genetic dis-
tances o f five Rh.angusta populations
根据长白红景天各居群间的遗传距离 ,采
用平均距离法(UPGMA)〔7〕对 5个居群进行聚
类(见图 1),聚为 2类 ,长白山的 4个居群聚为
一类 ,与取自黑龙江省平顶山的居群明显分开;
对于长白山的各居群 ,树线处与其它各居群明
显分开 ,天文峰下的居群与小天池居群的遗传
距离最近 。
2.3　基因流
利用居群代迁移数 Nm 测定基因流 ,N 代
表居群的有效大小 , M 代表居群间的迁移率 ,
按照Wright的 Fst方法 ,它们的关系为 Fst=1/(1+4Nm), Nm =(1-Fst),本研究中 5个
居群总的 Fst=0.122 ,得出 Nm=1.80。Wright(1931)认为 ,当 Nm>1时 ,说明居群间存在
一定的基因流动 。长白山的 4个居群的 Fst=0.091 ,Nm=2.50 。
3　讨论与结论
长白红景天的遗传变异的大小与其同属且在同一分布区的高山红景天〔9〕(Rh.sacha-
linensis)相比较高。Hamrick(1990)及其合作者曾多次对于植物种群遗传结构与其生活史
特征及生态因子之间的关系进行综合研究 ,认为影响种群遗传变异大小的主要因素依次为:
繁育系统 ,分布范围和生活型 ,长白红景天和高山红景天繁育系统均为异交为主 ,生活型相
同 ,繁殖方式均为有性生殖伴随无性生殖 ,它们的分布范围在大的地理背景下是相同的 ,即
黑龙江省海林县及吉林省长白山的高山苔原带和矮曲岳桦林下 ,但在分布区内长白红景天
比高山红景天的分布海拔要高 。生存环境更恶劣;另外许多研究表明〔10〕 ,遗传变异越大 ,适
应环境的能力就越强 ,高山红景天的遗传变异比长白红景天低的原因 ,尽管这两个种都是药
用植物 ,根入药 ,但高山红景天的根大 ,是采集者采集的主要对象 ,这样由于人为原因致使丢
失部分遗传多样性。
各居群间的分化系数为 0.134 ,86.6%的遗传变异存在于居群内 ,由表 5可见 ,黑龙江
省的平顶山居群与其它居群的遗传距离最大 。
从图 1可以看出 ,黑龙江省的平顶山居群明显与长白山各居群分化 ,分化系统为 0.
134 ,长白山各居群聚在一起。这可能是由于黑龙江居群与长白山地理居群分化较早 ,加之
1932 期　　　　　　　　　　　　颜廷芬等:长白红景天天然种群遗传多样性及遗传分化
地理距离阻碍了它们的基因流动 ,而形成了一定的遗传分化 ,Nm >1(1.8),说明各居群间
有基因流动存在 ,另外 ,黑龙江省平顶山居群的遗传变异(0.181)低于长白山各居群的平均
遗传变异 ,结合野外调查长白山的生境多样化 ,分布面积相对较大 ,由此推断 ,黑龙江居群可
能起源于长白山 ,要想得到更确切的证据 ,还需进一步深入研究 。
取自于长白山的各个居群呈现出不同程度的遗传变异(0.160 ～ 0.229),海拔 2400m 处
的天文峰最大 ,其次是海拔 2200m 的天文峰下。从野外调查来看 ,长白红景天生长在生境
比较开阔的苔原带和高山岳桦矮曲林下光照比较充足的地方。尽管每个居群间的垂直海拔
高度相差 100 ～ 200m ,但它们的生长期差别很大 ,天文峰 、天文峰下 、树线的生长期依次分别
晚 7 ～ 10天 ,而天文峰和天文峰下的遗传变异相对较大 ,说明长白红景天适应于高海拔 、寒
冷的生境是有其遗传基础的 ,同时也说明了它是一种高度耐寒的植物 。
树线 、天文峰下和天文峰是通往长白山最高峰天文峰的公路在三个海拔梯度的三个居
群 ,风向是由天文峰刮向树线 ,另外长白红景天是以异交为主的植物 ,昆虫传粉 ,有性生殖伴
随着无性生殖的植物 ,居群间存在基因流动(Nm=2.50),从理论上推断这三个居群的遗传
距离比较近 ,但从表 5和图 1可以明显地看出 ,天文峰下居群与小天池居群的遗传距离最
近 ,其次是天文峰 ,与之最远的是树线居群 ,这可能与居群定居时的材料来源有关。
参　　考　　文　　献
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