全 文 ：植　　　物　　　研　　　究
BULLETIN OF BOTAN ICAL RESEARCH
第 18卷　第 3期 1998年　 7月
Vol. 18　 No. 3 July , 　 1998
高山红景天 ( Rhodiola sachalinensis)
遗传变异及其濒危机制的探讨
祖元刚　颜廷芬　周福军
(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　采用淀粉凝胶电泳手段 ,等位酶分析技术对分布于黑龙江大海林林业局高
山红景天天然分布区内 3个亚种群及吉林长白山 1个亚种群的 9种酶系统 18个位点进
行了遗传分析 ,结果表明种群内存在一定的遗传变异 (多态位点百分比为 30. 55% ,
等位基因平均数为 1. 333) ,但不是很丰富 ,主要是该种狭窄的分布区致使生境单一
及人为破坏其本身的生物学特性在长期的进化过程中相互适应相互选择的结果。在
黑龙江的分布区内各亚种群之间一致度较高 ,而位于长白山的亚种群与黑龙江的各
亚种群之间有一定的遗传分化 ,而且个别位点上差异很大 ,这可能与适应特定的环
境有关。
关键词　高山红景天 ;遗传生态学 ;等位酶 ;遗传变异 ;适应
A PRELIMINART STUDY ON GENETIC VARIATION
AND ENDANGERED MECHANISM OF RHODIOLA
SACHALINENSIS NATURAL POPULATION
Zu Yuan- gang　 Yan Ting- fen　 Zhou Fu- jun
( Open Research Labo rato ry of Fo rest Plant Ecolog y, No r th ea st Fo restr y Univ er sity , Ha rbin 150040)
Abstract　 Genetic v ariation lev el w as determined fo r four subpopula tions of Rho-
diola sachal inensis using allozyme analysis, allele va ria tion at 18 loci was deter-
mined fo r 9 enzyme systems. The resul ts show ed that there w ere rela tiv e g enetic
v ariabi li ty w ithin popula tion and no t v ery high. It w as concerned wi th the limi ted
dist ribution and i ts biological characteristics. The value of g enetic identi ty among
three subpopulations in Heilong jiang province w as very high, but there w ere some
genetic dif ferentiation betw een the subpopulations dist ributed in Changbai M oun-
tain and the subpopula tions dist ributed in Heilong jiang province, and there w ere
国家教委跨世纪优秀人才培养计划基金和黑龙江省杰出青年科学基金项目资助。　收稿日期: 1998- 1- 26
very highly dif ferent at some loci. This ow es to the reason of adapting special
envi ronment.
Key words　 Rhodiola sachalinensis; Genetic eco logy; Allozyme; Genetic v aria tion;
Adaption
遗传生态学是种群生态学和种群遗传学交叉形成的一门边缘学科〔 4〕 ,是以生态学研究
为主 ,探讨自然种群对其生活环境中生态因素的适应和调整的遗传机制。它不仅关心生物的
种类、数量及分布 ,而且还关心所研究种群的基因库〔1, 3〕。而多数的遗传生态学研究主要是探
讨自然种群的遗传变异、自然种群的遗传生态分化及物种和生态型的适应机制。
高山红景天 ( Rhodiola sachalinensis )为多年生草本植物 ,分布范围狭窄 ,在中国仅分布
于黑龙江省尚志县及吉林省长白山 ,在黑龙江多生长海拔 1500m及在长白山 1700m以上的
岳桦林下及高山苔原带的裸露岩石上 ,其生境土壤瘠薄、气候恶劣。高山红景天为雌雄异株
或杂性同株 ,其生殖方式为有性生殖和无性生殖相伴随。种群在生长期适应进化过程中形成
了一定的遗传结构 ,本文利用等位酶分析技术 ,分析了该种群的遗传结构及其适应意义。
1. 材料和方法
1. 1　实验材料
从黑龙江省大海林林业局的太平沟林场 ( TGH)、双峰林场 ( SHGH)、海源林场 ( HGH)
和吉林省长白山 ( CHGH)四个分布地取样 ,每个分布地取样 20株 ,以新鲜叶片为供试材料。
表 1 9种酶系统的亚基组成情况与电泳系统
Table 1　 Subunit and condition of electrophoresis systems for nine enzyme system
酶的名称
Name of en zyme
缩写
Abb reviation
酶亚基组成
Composit ion of en zyme subunit
电泳缓冲液系统
Electropho resis s ystem
胺基肽酶
Aminopeptid as e
L AP 单体 系统 1
苹果酸脱氢酶
Malate deh yd rog enase
MDH 二聚体 系统 1
磷酸葡萄糖变位酶
Phosphoglucomutase
PGM 单体 系统 1
磷酸葡萄糖异构酶
Ph osphoglucoisom ereras e
PGI 二聚体 系统 1
(乙 )醇脱氢酶
Alcohol dehydrogenas e
ADH 二聚体 系统 1
还原型辅酶 I心肌黄酶
N AD H- Diaphorase
DIA 单体 系统 1
异柠檬酸脱氢酶
Isoci t rate deh ydrogenas e
IDH 二聚体 系统 1
酯酶
Es terase
EST 单体 系统 2
天冬氨酸转氨酶
Aspartate aminot rans ferase
AAT 二聚体 系统 2
1. 2　样品制备
3053期　　　　　祖元刚等: 高山红景天 (Rhodiola sachalinensis)遗传变异及其濒危机制的探讨
利用 Tris—马来酸提取液〔11〕 ,提取高山红景天的新鲜叶片的酶。
1. 3　电泳系统
采用水平淀粉凝胶电泳 ( 12% )手段及两种缓冲液系统 ,分别为 ( 1): 0. 4M柠檬酸三钠
电极缓冲液系统与 0. 02M盐酸组氨酸凝胶缓冲系统 ; ( 2): 0. 1MNaOH, 0. 3M硼酸电极缓冲
系统与 0. 015M Tris, 0. 004M柠檬酸凝胶缓冲系统〔 11〕。
1. 4　数据处理
本文采用的参数为: ( 1)多态位点比例 ( P) ,多态位点是指具有 2个以上等位基因且每个
等位基因的频率均大于 0. 01的位点 ,而 P为多态位点数占所检测位点总数 ; ( 2)等位基因平
均数 ( A) ,为等位基因总数除以位点数 ; ( 3)固定指数 ( F) , F= 1- Ho /He,其用来检验每个位
点上基因型分布的实测值 ; ( 4)遗传一致度 ( I) , I=∑ X i Yi / (∑ X 2i∑ Y2i ) 1 /2 ,其中 X i、 Yi是
种群 X、 Y的第 i等位基因的基因频率 ;遗传距离 (D ) ,D= - ln I。
2. 结　果
根据构成所检测的酶系统多肽组成 (单聚体还是多聚体 )、编码基因位点数 (单位点还是
多位点 )、个体的基因组成 (杂合体还是纯合体 )〔6〕以及所检测出具体谱带的情况 ,首先确定
每一种酶系统的位点 ,以此为基础进行计算所需要的参数。计算各等位基因的频率以 95%作
多态性的判断标准。 IDH检测到三个活性区 ,经以上综合分析确定为三个位点即 IDH- 1、
IDH- 2、 IDH- 3,且三个位点在所有的种群中均呈单态 ,其中 IDH- 1分辨率低 ,在这里不
作为证据 ; ES T检测到一个活性区 ,确定为一个位点且为多态即存在两个不同的等位基因 ,
以此类推确定其它酶系统的位点。
表 2 9种等位酶 18个位点的各等位基因频率 (每个亚种群取 20个个体 )
Table 2　 Allele frequencies for eighteen loci from nine enzyme systems in four sub-
poulations
位点
Locus
长白山
CHGH
海林林场
HGH
太平沟林场
TGH
双峰林场
SHGH
位点
Locus
长白山
CHG H
海林林场
HGH
太平沟林场
TGH
双峰林场
SHG H
IDH- 2 A 1. 000 1. 000 1. 000 1. 000
ADH A
B
0. 425
0. 575
0. 800
0. 200
0. 575
0. 425
0. 550
0. 450
IDH- 3 A 1. 000 1. 000 1. 000 1. 000
PGM- 1 A
B
C
0. 425
0. 425
0. 150
0. 000
0. 225
0. 775
1. 000
0. 000
0. 100
0. 900
DI A- 1 A
B
0. 450
0. 550
1. 000
0. 000
1. 000
0. 000
1. 000
0. 000
PGM- 2 A
B
0. 850
0. 150
0. 700
0. 300
0. 650
0. 350
0. 950
0. 050
DI A- 2 A 1. 000 1. 000 1. 000 1. 000 M DH- 1 A 1. 000 1. 000 1. 000 1. 000
DI A- 3 A 1. 000 1. 000 1. 000 1. 000 M DH- 2 A 1. 000 1. 000 1. 000 1. 000
AAT- 1 A
B
0. 050
0. 950
1. 000
0. 000
1. 000
0. 000
1. 000
0. 000
M DH- 3 A 1. 000 1. 000 1. 000 1. 000
AAT- 2 A 1. 000 1. 000 1. 000 1. 000 LAP A 1. 000 1. 000 1. 000 1. 000
AAT- 3 A
B
0. 900
0. 100
1. 000
0. 000
1. 000
0. 000
1. 000
0. 000
PGI- 1 A 1. 000 1. 000 1. 000 1. 000
EST- 1 A
B
0. 475
0. 525
0. 550
0. 450
0. 575
0. 425
0. 775
0. 225
PGI- 2 A
B
0. 500
0. 500
0. 450
0. 550
0. 550
0. 450
0. 425
0. 575
306 植　　物　　研　　究　　　　　　　　　　　　　　　 18卷
图 1　高山红景天 4个亚种群的聚类图 (据遗传一致度 )
Fig. 1　 Dendrog ram from clustering fo r 4 subpopula tion
fo r R . sachalinensis ( ba sed on Nie e g ene tic identity )
　　表 2列出了 5个高山红景天亚种群在
9种酶系统共 18个位点上观察到的各等
位基因频率。表中数据大部分都很接近 ,
仅在部分位点上差异很大 ( DIA - 1,
AA T- 1, PGM- 1) ; CHGH与其他亚种
群间遗传差异较大 (表 3) , IDH- 2、 IDH
- 3、 DIA- 2、 DIA- 3、 AAT- 2、 MDH-
1、 MDH- 2、 MDH- 3、 PGI- 1、 LAP在
所检测的亚种群中没有变化 ,多样性为
0;各亚种群之间遗传距离很小 ,表明亚
种群间分化程度很低 (表 4)。利用平均聚
类法〔7〕进行聚类分析 ,见图 1。
3. 讨　论
3. 1　高山红景天天然种群内遗传变异
采用淀粉凝胶电泳手段检测了分布于长白山 ( CHGH)及黑龙江省大海林林业局海源林
场 ( HCH)、太平沟林场 ( T GH)、双峰林场 ( SHGH)的高山红景天 9种酶系统 ,检测到 18个位
点 ,由此得出 A= 1. 333, P= 30. 55% , He= 0, 122(表 3) ,说明高山红景天种群内存在一定
的遗传变异 ,但不是很高 ;表 3中 , He与 Ho的值十分接近 ,说明高山红景天是异交为主的植
物 ,作为异交植物应该具有高的遗传变异 ,但与 Hamrick and Godt ( 1990)对 165个属、 449个
物种共 653篇等位酶研究报道统计分析得出的对于长寿多年生草本 P= 39% , A= 1. 44, He
= 0. 084相比可以得出其遗传变异不高 , Hamrick ( 1990)〔9〕 ,曾对物种水平与遗传变异有关
的因子作过分析 ,主要强调的是分布范围作用因子 ,即广布种的遗传变异要比狭域分布种的
遗传变异水平高 ,另外对于具体物种来说 ,其生物学特性、所处的生态学环境和进化历史等
诸多因素都会影响到其遗传变异水平的高低。本文所涉及的高山红景天植物分布范围狭窄 ,
主要分布于海拔 1600m以上高山苔原的裸露的岩石上以及草本植物相对稀疏的岳桦林下 ,
生境比较单一 ,这是其遗传变异低的一方面原因 ,另外 ,高山红景天除了有性生殖外 ,还伴随
着无性生殖 ,再加之 ,由于近年来人们对其大量的开发利用 ,人为的采挖丢失了部分的基因
型而致使该种群遗传结构发生了变化 ,使其遗传变异不高。由表 2可知在所检测的 18个位点
中 ,在 CHGH亚种群中其中 10个位点是单态 , 8个位点是多态 ,其中存在 3个等位基因位点有
PGM- 1,且位点 PGM- 1为 CHGH所特有 , 2个等位基因的位点为 DIA- 1、 EST- 1、 AA T
- 1、 AAT- 3、 ADH、 PGM- 2、 PGI- 2。在 HGH、 SHGH中分别有 13个位点是单态 , 5个位
点为多态 ,即: EST- 1、 ADH、 PGM- 1、 PGM- 2、 PGI- 2,每个位点均有 2个等位基因。在
T GH种群中有 14个单态位点 , 4个多态位点即: EST- 1、 ADH、 PGM- 2、 PGI- 2,每个多态
位点均有 2个等位基因 (表 2)。结合表 3可知 CHGH亚种群的遗传变异要比其他三个亚种群
的遗传变异大 , A、 P、 He值均明显地大于其他亚种群且 AA T- 1、 DIA- 1、 AA T- 3三个位
点仅在 CHGH亚种群中呈多态 ,而在其他亚种群中均呈单态。
从对高山红景天分布地来看长白山为其多度分布中心 ,生境相对多样化且长白山经火
山爆发后形成特殊的生境 ,如温泉 ,在长期进化过程中物种的适应与多样环境的选择而形成
3073期　　　　　祖元刚等: 高山红景天 (Rhodiola sachalinensis)遗传变异及其濒危机制的探讨
相对比较丰富的遗传变异。
表 3 高山红景天种群遗传变异参数值
Table 3　Values of diversity measure four subpoplations f or R. sachal inensis
亚种群
Subpopulation
取样大小
Size
等位基因平均数 ( A)
Average n umber
of alleles
多态位点百分比 ( P)
Percentag e of
polymorphic loci
平均观察杂合度 ( He)
Averag e observ ed
heterozygosi ty
平均期望杂合度 ( He)
Average expected
h eterozygosity
CHGH 20 1. 444 44. 4 0. 164 0. 174
HGH 20 1. 278 27. 8 0. 131 0. 116
TGH 20 1. 278 22. 2 0. 114 0. 107
SHGH 20 1. 333 27. 8 0. 089 0. 089
平均
M ean
20 1. 333 30. 6 0. 125 0. 122
表 4 遗传一致度 ( I)与遗传距离 ( D)
Table 4 Genetic identity and genetic distance
　　　　　　遗传距离
遗传一致度　　　 Genetic dis tance
　　 Genetic id ent ity
1
CHGH
2
HGH
3
T GH
4
SHGH
1　 CHGH - 0. 115 0. 103 0. 119
2　 HGH 0. 891 - 0. 043 0. 012
3　 TGH 0. 902 0. 958 - 0. 066
4　 SHGH 0. 888 0. 988 0. 936 -
3. 2　高山红景天天然种群遗传分化
遗传一致度和遗传距离是衡量各亚种群分化程度的指标 ,表 4各个遗传一致度从 0. 888
( CHGH- SHGH)到 0. 988( HGH- SHGH)变化的幅度很大 ,表明各亚种群分化的程度不
同 , HGH与 SHGH的遗传一致度最高 ( 0. 988)。这是由于此两个种群都是取自黑龙江大海
林林业局 ,但是从地理距离来说 HGH与 SHGH和 TGH的地理距离要比 TGH与 SHGH
的取样地点距离要远 ,而从遗传一致度上看 , HGH与 SHGH遗传一致度最高 , HGH与
T GH次之 ( 0. 958) ,而 SHGH与 TGH则处于第三位 ( 0. 936)。得出结论遗传距离与地理距
离没有关系 ,而从 CHGH与 SHGH、 TGH和 HGH之间的遗传一致度来看 ,要低于 SHGH、
T GH和 HGH它们之间的一致性 ,表明遗传距离与地理距离是相关的。一方面 ,小地区内环
境条件基本一致 ,自然选择压力趋于一致 ,然而 ,对大范围地区来说 ,自然选择压力就显得重
要了 ,使遗传分化与一定的环境变化相关〔 2, 8, 10〕。
3. 3　高山红景天遗传变异的维持及适应机制
高山红景天在其分布区内以有性生殖为主 ,伴随着无性生殖 ,以异花授粉为主 ,这样个
体之间基因流动频繁 ,为基因重组提供了机会 ,经长期的适应与环境的筛选 ,形成了该环境
的特有的遗传结构 ;种子结实量大 ,但实际调查发现实生苗较少 ,原因是高山红景天生长环
境恶劣、土壤瘠薄、风大。通过实验室发芽试验表明种子发芽时需要充分的水分 ,在小苗生长
308 植　　物　　研　　究　　　　　　　　　　　　　　　 18卷
初期同样也需要充分的水分 ,这对其野生生境来说很难满足 ,只有在生境相对比较优越的地
方 ,小苗才能存留下来。生长到一定阶段进行无性生殖 ,其根部发达 ,这是适应恶劣环境的结
果。因此 ,高山红景天一方面靠大量种子来维持一定的遗传变异 ,另一方面靠无性繁殖来维
持。
3. 4　高山红景天分布范围狭窄及其濒危机制的探讨
高山红景天分布范围狭窄 ,属于分布区受限制性濒危植物。在黑龙江仅分布在海拔 1500
～ 1650m高山苔原岩石裸露及岳桦林稀疏地带 ,生境比较单一 ,在长白山分布于海拔 1700
～ 2200m。野外调查表明与其它植物争夺营养空间能力差 ,只生长在其他草本植物稀疏地
带 ,其种子颗粒小 ,千粒重为 0. 1063g,无翅靠风不能传播很远 ,且表面光滑不易粘在动物或
人身上传播 ,加上实生苗很少 ,这是该种群很难扩大的原因之一 ;另外 ,该种群无性生殖扩大
种群的速度更慢 ,而且扩展范围有限。特别是近年来 ,人们对其有效成份红景天甙的认识 ,对
其野生资源大量的采挖 ,使高山红景天的天然贮量锐减 ,使该种正常延续后代很困难 ,这是
其濒色的外因。
3. 5　对高山红景天野生资源保护的一点建议
3. 5. 1　直接保护
首先 ,从高山红景天的药用价值来说 ,应采取就地保护 ,因为高山红景天药用有效成分
是对根的利用 ,通过调查野生高山红景天和栽培红景天 (与原生产地不远 ) ,野生的根的比例
大 ,而栽培的则茎叶比例大 ,而根的比例很小 ,由于栽培地离开原产地 ,光照土壤温度改变 ,
但什么占主导因素还不知道 ,栽培的茎叶贪长 ,使根年生物量积累减少 ,因此提出就地保护
措施 ,其次 ,从保扩物种遗传多样性 ,即保护了物种的基因库也就保护了物种的遗传多样性 ,
便于其适应气候变化以及其它形式环境灾难的能力 ,但是就地保护并不是保护其所有的分
布范围 ,人力、物力、才力也是不允许。对其分布范围的各种群进行遗传多样性调查 ,在遗传
多样性丰富的分布区建立保护区。这样即保护了其生存的野生环境又保护了该物种的基因
库 ,不致于使物种灭绝 ,也保持了物种多样性。在本研究的研究范围内 ,对高山红景天的几个
亚种群做了遗传结构分析 (前面已介绍 ) ,取自长白山高山红景天亚种群 ,其遗传多样性最
高 ,且包括了其它亚种群的多态位点。这样使保护和开发并不矛盾的情况下及人力、物力、才
力能够承受的情况下 ,在本文研究范围内建议对长白山建立高山红景天的野生资源保护区 ,
当然本文所濒及的种群还不够全面 ,在具体建立保护区 ,应该进行全面调查试验。本文只是
为建立保护区寻找出科学的方法和依据。
3. 5. 2　间接保护
尽管我们采取了对濒危野生植物保护措施 ,但是目前由于保护法规律不健全开发力度
的加大 ,厂家大量收购 ,在金钱的诱惑下 ,人们会不择手段。另外 ,野生资源毕竟是有限 ,为了
不使开发与保护发生矛盾 ,首先 ,进行栽培繁殖 ,其次对红景天属内其它种的药效成份进行
分析 ,对同属内其它种的开发 ,再次 ,随着现代科学技术的发展 ,特别是近年 PCR、 RAPD、
RFLP技术及 DNA测序的出现 ,试图找出控制合成高山红景天有效药用成份的基因 ,在其
它植物中表达 ,或人工合成。这样通过人工繁殖对属内其它种的开发 ,及人工合成等方法 ,减
少了对高山红景天资源的利用压力 ,从而达到了间接保护的目的。
3093期　　　　　祖元刚等: 高山红景天 (Rhodiola sachalinensis)遗传变异及其濒危机制的探讨
参　　考　　文　　献
1. 王桂忠、李少菁 . 海洋生化生态遗传学的研究 . 生态学杂志 , 1991, 10: 34- 38
2. 庄树宏、仲崇信 . 大米草 (Spart ina anglica )生态型分化的研究 . 生态学杂志 , 1987, 6: 1- 9
3. 唐建军 . 关于遗传生态学中的几个问题 . 青年科学家论丛 . 北京:中国科学技术出版社 , 1991
4. 黄瑞复、魏蓉城、晏一详译 . 生态遗传学 . 北京:科学出版社 , 1991
5. 葛颂 . 用同工酶定量分析林木群体变和分化的方法 . 西南林学院学报 , 1989, 9: 84- 90
6. 葛颂 . 酶电泳资料和系统进化植物学研究综述 . 武汉植物学研究 , 1994, 12: 71- 84
7. 熊全沫 . 同工酶电泳数据的分析及其在种群遗传上的应用 . 遗传 , 1984, 8: 1- 5
8. Al lad R. W. Microg eographical variation in al lozye f requencues in Avenabarbata. P roc Na tl Acad S ci U SA , 1972, 69:
2100- 2104
9. Ham rick J. L. , Godt M. Y. W. Allozym e div ersi ty in plant species. In: Brow A. H. D. , Clegg M T( eds ) . Plant
population g enetics, breeding , and g enetic res ources. Sund er land: Sinauer, 1990
10. Kiang Y. T. et al. Comparing dif ferent iation of wild soyb ean ( Glycine soja) population. bas ed on isozym es and quan-
titative t rait s. Bot B ull Aca d Sin, 1990, 31: 129- 142
11. Solti s D. E. , Haufler C. H. Starh g el elect rophoresi s of fens: a compi lation of grinding buf fers, gel and elect rode
b uffer, and s taining sch edu les. Amer. Fern . J . , 1993, 73: 9- 27
310 植　　物　　研　　究　　　　　　　　　　　　　　　 18卷