全 文 ：第 30卷第 4期
2013年 11月
新疆大学学报(自然科学版)
Journal of Xinjiang University(Natural Science Edition)
Vol.30, No.4
Nov., 2013
水藓科植物遗传多样性研究∗
买买提明·苏来曼1，徐红红2，玛尔孜亚·阿不力米提1，张梅娟2，沙伟2
(1. 新疆大学 生命科学与技术学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2. 齐齐哈尔大学 生命科学与农林学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)
摘 要：利用ISSR分子标记方法对不同地区的13份水藓科植物进行遗传多样性分析，结果表明，稳定且重复性
高的7条引物共扩增出526条清晰的条带，其中518条具有多态性，平均多态性位点比率为98.47％．运用PopGen-
32软件分析发现，等位基因数Na=1.736 3，有效等位基因数Ne=1.306 2，Nei基因的多样性与Shannon信息的指
数分别为0.201 5和0.321 1，说明水藓科植物的遗传多样性比较丰富．13份水藓科植物的遗传分化系数Gst、遗传
距离D与遗传一致度I分别为0.025 3、0.007 1和0.054 7，对其进行计算得知，不同属种间存有基因交流，但与种间
变异相比，种群内部的遗传变异较大．通过NTSYS2.1软件对13份样本的亲缘关系进行聚类，可将其分为3类，且
样本的遗传距离与地理位置有一定的相关性．
关键词：水藓科；ISSR；遗传多样性；聚类分析
中图分类号：Q949.35+2 文献标识码：A 文章编号：1000-2839(2013)04-0390-06
Genetic Diversity of Fontinalaceae by ISSR Analysis
Mamtimin Sulayman1, XU Hong-hong2, Marziya Ablimit1, ZHANG Mei-juan2, SHA Wei2
(1. College of Life Science and Technology，Xinjiang University, Urumqi, Xinjiang 830046, China；2. College of
Life Science and Agriculture and Forestry, Qiqihar University, Qiqihar, Heilongjiang 161006, China)
Abstract：The genetic diversity of 13 species Fontinalaceae collected in different regions was studied using
ISSR marker technique method. The results showed that 526 clear bands were amplified by 7 stable and
highly reproducible primers of which 518 were polymorphic. the percentage of polymorphic bands reached
98.47％ . The result of analyzed by the software POPGENE-32 showed that number of alleles Na=1.7363,
effective number of alleles Ne=1.3062. Nei gene diversity and Shannon information index were 0.201 5 and
0.321 1. It showed that the geographical distribution was very obvious. The coefficient of gene differentiation
Gst, genetic distance D and genetic identity I of 13 samples were 0.025 3,0.007 1 and 0.054 7, indicating
there was a certain gene flow among different species of Fontinalaceae and the genetic variation was mainly
within species compared with interspecies. Cluster analysis among 13 samples genetic relationship using
software NTSYS2.1 showed that these samples were divided into there groups. In addition，there were some
correlation between genetic distance and geographic distance among the samples.
Key words：Fontinalaceae; ISSR; Genetic diversity; Cluster analysis
水藓科（Fontinalaceae）植物属于变齿藓目，是较早确立的藓类植物之一，多数藓类植物在陆地生长，
常见于潮湿阴暗的泥土和岩石表面，水藓科植物属于藓类植物中少有的水生类群，生长在未受污染的山
涧小溪中，对环境要求较高，可以作为水质的指示植物．目前，世界上共有2个亚科和3个属，我国有水藓
亚科（Fontinaloideae）中的弯刀藓属（Dichelyma）和水藓属（Fontinalis）．其中弯刀藓属植物在世界范围
内共有6种，主要分布在欧洲和北美洲，我国发现1种，为网齿弯刀藓（Dichelyma falcatum），在亚洲地区为
首例，分布于我国的新疆．水藓属植物在世界范围内发现20余种，我国有2种，一种为羽枝水藓（Fontinalis
hypnoides），另一种为大水藓（Fontinalis antipyretica），主要分布在新疆、内蒙古等地，其中羽枝水藓可
能成为濒危物种[1]．由于生长缓慢，且有较独特的繁殖方式，加上对生长环境的特殊要求，使得水藓科植
物资源种类非常稀少，分布范围有限[2]，因此，对其进行遗传多样性的研究具有非常重要的价值．
∗收稿日期：2013-09-07
基金项目：国家自然科学基金(31160040；30960026)和自治区高校科研计划项目（XJEDU2011103）资助.
作者简介：买买提明·苏来曼（1964-），男，维吾尔族，教授，硕士导师，主要从事植物系统分类和苔藓植物资源研究.
第 4期 买买提明·苏来曼，等：水藓科植物遗传多样性研究 391
目前的分类方法多基于植物形态学的分析鉴定，仅能鉴定到植物的种类和结构变化，并不能了解植
物间的遗传关系和多样性．因此，本研究利用ISSR标记法从分子水平探讨其种间的亲缘关系及遗传特
性[3]．ISSR分子标记法是于1994年由Zietk-iewicz等人[4]创建的一种新型标记方法，主要应用在基因定位、
植物分类、进化及遗传多样性、种质资源鉴定、指纹图谱分析、遗传连锁图谱构建及目的基因的标记等方
面[5]．与其它分子标记方法相比有操作简便、稳定性好、多态性丰富等优点，目前ISSR分子标记技术已在
红薯[6]、桑树[7]、睡莲[8]等多种植物的多样性研究中得到广泛的应用，但水藓科植物的多样性分析至今未
见报道．
1 材料与方法
1.1 材料
13份水藓科植物采于新疆境内各自然保护区（见表1）．将采集回的材料于实验室进行培养，一段时
间后取材，用液氮速冻，放入-80◦C冰箱中保存备用．
表 1 实验材料编号及生境
序号 种名 北纬 东经 海拔（m） 采集地
1 大水藓 48 43 86 46 1141 新疆阿尔泰山哈巴河县中华界碑
2 网齿弯刀藓 48 03 88 03 2387 新疆阿尔泰山阿勒泰市小东沟
3 羽枝水藓 45 55 82 30 954 新疆巴尔鲁克山自然保护区
4 网齿弯刀藓 47 55 88 20 2387 新疆阿尔泰山阿勒泰市小东沟
5 羽枝水藓 46 40 83 30 1155 新疆巴尔鲁克山自然保护区塔斯特乡
6 羽枝水藓 48 50 86 45 1250 新疆阿尔泰山布尔津县禾木乡
7 大水藓 45 54 82 30 970 新疆巴尔鲁克山自然保护区裕民县
8 大水藓 47 35 86 30 500 新疆阿尔泰山布尔津县额尔齐斯河
9 羽枝水藓 45 50 83 45 1300 新疆巴尔鲁克山自然保护区
10 羽枝水藓 46 50 83 35 1300 新疆巴尔鲁克山自然保护区塔斯特乡
11 网齿弯刀藓 47 22 86 40 2450 新疆布尔津县喀纳斯自然保护区
12 羽枝水藓 48 30 86 30 1350 新疆布尔津县喀纳斯自然保护区
13 羽枝水藓 48 22 86 25 1320 新疆布尔津县喀纳斯自然保护区
1.2 方法
1.2.1 基因组DNA的提取与检测
利用改良的CTAB法[9]对水藓科植物的总基因组DNA进行提龋�通过1.0％浓度的琼脂糖凝胶电泳，检
测基因组DNA的分子量大小和完整度；通过超微量紫外分光光度计测定总DNA浓度与纯度．最后将所提
取的DNA稀释到20 ng·L−1，放入-20◦C冰箱中保存备用．
1.2.2 PCR反应体系的建立与扩增
从20条ISSR引物序列中筛选出7条稳定性好、扩增条带数多的引物（表2）对13份个体进行PCR扩增．
通过对反应因素正交优化的方法，选择出电泳条带清晰且多态性高的扩增反应条件[10]．如图1中10号组合
扩增出的条带清晰明亮，被定为本实验的最佳扩增体系，即20 µL反应体系中含有：2.0 µL PCR Buffer溶
液、70.0 ng模板、1.28 µmol·L−1引物、1.52 mmol·L−1Mg2+、1.20 mmol·L−1dNTPs、0.50 UTaq酶．扩增反应
程序为：94◦C预变性时间5 min；94◦C变性时间30 s，51～55◦C退火时间1 min，72◦C延伸时间2 min，35个
循环；72◦C延伸时间10 min．PCR反应结束后用2.0%琼脂糖凝胶对PCR产物进行电泳检测，以1×TBE为
电泳缓冲液，以EB为染色剂，2 000 bp DNA marker为对照进行凝胶电泳的分离，待电泳结束将PCR扩增
产物在紫外凝胶成像系统下照像并保存．
392 新疆大学学报(自然科学版) 2013年
表 2 水藓科植物扩增的引物及条带数
引物 引物序列（5’→3’） 退火温度（◦C） 扩增条带数 多态性条带数
UBC 807 （AG）8T 52.8 56 55
UBC 808 （AG）8C 52.0 76 74
UBC 811 （GA）8C 52.0 62 61
UBC 826 （AC）8C 55.0 78 76
UBC 845 （CT）8RG 51.0 68 66
UBC 855 （AT）8YT 53.0 96 96
UBC 860 （TG）8RA 53.6 90 90
M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 M

图 1 PCR反应体系正交试验电泳图1～16 表1中正交反应体系序号M: 2000bp DNA Marker
1.2.3 数据分析与系统发生树的构建
在扩增反应中，根据相同迁移位置上多态性条带的有无进行统计，有条带记作“1”、无条带记作“0”[11]，
将数据统计为0/1矩阵输入到Excel表格中备用．利用POPGENE-32软件对13份水藓植物进行相关多样性
参数分析，分别计算多态位点百分率（PPB, Percentage of polymorphic bands）、观测等位基因数（Na,
Observed number of alleles）、有效等位基因数（Ne, Effective number of alleles）、Nei基因多样性（H, Nei’s
gene diversity）、Shannon信息指数（I, Shannon’s Information index）、Nei遗传距离（Genetic distance）与
遗传一致度（Genetic identity）等参数[12]．运用NTSYS-PC（version 2．10）软件的UPG-MA方法进行聚类，
构建各居群之间的遗传关系[13]．
2 结果与分析
2.1 水藓科植物的遗传多态性分析
本研究利用7个ISSR引物对13份不同生境的水藓科植物进行ISSR-PCR扩增反应，共检测到526个位点，
片段大小均在200～2 000 bp之间，其中多态性位点518个，多态性位点比率为98.47％．图2为引物UBC845对
供试材料ISSR扩增反应的结果．应用POPGENE-32软件对13份材料进行遗传多样性参数分析（表3），结果
显示，等位基因数（Na）为1.736 3，有效等位基因数（Ne）为1.306 2，平均Nei’s基因多样性指数为0.201 5，
Shannon′s信息指数为0.3211，表明水藓科植物在DNA分子水平上有较高的遗传多样性，相互之间的遗传
变异相当丰富．
M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 M

图 2 优化反应体系后引物UBC845体系扩展电泳图M: DNA 2000 Marker; 1-13: 13份水藓DNA
第 4期 买买提明·苏来曼，等：水藓科植物遗传多样性研究 393
表 3 水藓科植物遗传多样性
No. Observed number Effective number Nei’sdiversity Shannon information Percentage of
of alleles（Na） of alleles（Ne） index（H） index（I） polym orphicband（％）
1 1.7143 1.3442 0.2169 0.3377 98.10
2 1.7619 1.3369 0.2155 0.3392 98.17
3 1.8571 1.3239 0.2197 0.3559 97.71
4 1.7619 1.3524 0.2244 0.3514 98.19
5 1.7619 1.3116 0.2011 0.3212 100.00
6 1.7143 1.262 0.1817 0.2962 98.10
7 1.7143 1.3592 0.2299 0.3548 98.05
8 1.8571 1.4117 0.2613 0.4063 98.11
9 1.7619 1.2808 0.1888 0.3070 99.13
10 1.6667 1.2463 0.1696 0.2753 98.16
11 1.7143 1.2823 0.1928 0.3100 98.25
12 1.7143 1.2403 0.1669 0.2766 100.00
13 1.5714 1.2291 0.1513 0.2430 98.14
Mean 1.7363 1.3062 0.2015 0.3211 98.47
2.2 水藓科植物种群间的遗传分化分析
种间遗传分化的程度可以通过种间的遗传变异在总体变异中所占的比例（Gst）反映出来．研究结果
显示，3种水藓科植物种群内的基因多样性（Hs）为0.201 5，总的基因多样性（Ht）为0．218 9，计算得出
种群间的遗传分化系数（Gst）为0.079 5，说明水藓科植物中有7.95%的遗传变异发生在种群间，92.05%的
遗传变异发生在种内，证实水藓科植物种群间具有较低的遗传分化，绝大部分的遗传分化存在于种群内
部．根据遗传分化系数（Gst）可以计算得到基因流（Nm），公式为Nm =0.5（1－Gst）/Gst，经计算基因
流Nm=5.79＞1，表明水藓科植物种群间的基因交流并未受到限制，但基因交流有限．
2.3 水藓科植物的亲缘关系和聚类分析
为进一步了解水藓科植物遗传分化的程度，可利用遗传距离（D）和遗传一致度（I）分析种群之间的
关系．水藓科植物遗传距离的分析结果显示（表4），种间遗传一致度范围为0.984 1～0.99，遗传距离范围
为0.010 1～0.016，表明植物种群之间存在明显的遗传差异，但差异不大；其中大水藓和羽枝水藓的遗传一
致度为0.99，遗传距离为0.010 1，说明二者之间遗传背景最为相似[14]，亲缘关系较近；大水藓和网齿弯刀藓
属的遗传一致度为0.984 1，遗传距离为0.016，说明二者之间的遗传差异较大，亲缘关系较远．利用NTSYS-
PC2.1软件对13份水藓科植物进行UPGMA聚类分析，通过亲缘关系系统树（图3）可以看出，13个样品
在0.53处被划分为2类，一类为水藓属，另二类为弯刀藓属；水藓属在0.56处也被分为两类，第一类为大水
藓，第二类为羽枝水藓．由材料的生境和聚类图可以看出，种群之间的遗传距离与地理距离有明显的相关
性，说明环境对水藓科的基因交流有较大的影响．
表 4 水藓科植物遗传距离和遗传一致度表
学名 大水藓 羽枝水藓 网齿弯刀藓
大水藓F. antipyretica — 0.9900 0.9841
羽枝水藓F. hypnoides 0.0101 — 0.9859
网齿弯刀藓D. falcatum 0.0160 0.0140 —
注:对角线以上为遗传一致度；对角线以下为遗传距离．
3 讨 论
自然界中，苔藓植物是由水生向陆生过渡的植物类群，绝大多数种类生活于裸露的石壁、潮湿的森林
或沼泽地区，而水藓科植物却较为特殊，它是苔藓中少有的水生植物，主要生长于未受污染的溪水中或溪
394 新疆大学学报(自然科学版) 2013年
边，因此对其遗传多样性进行研究具有重要的科学价值[15]．
图 3 基于Nei′ s遗传距离的水藓科植物UPG-MA聚类图样品编号同表1
利用POPGENE-32软件对水藓科植物的遗传多样性进行分析，其中多态性位点比率为98.47％，等位
基因数（Na）为1.736 3，有效等位基因数（Ne）为1.306 2，平均Nei’s基因多样性指数为0.201 5，Shannon′s信
息指数为0.321 1，说明水藓科植物总的遗传多样性水平较高，也表示ISSR分子标记法是研究植物种群遗
传多样性较有效可行的方法．水藓科种群间的遗传分化指数（Gst)为0.079 5，代表水藓科植物种群间的遗
传变异为7.95%，说明水藓科植物在进化过程中相对保守，主要的遗传变异发生在种群内部．利用公式可
以推算出基因流Nm=5.79＞1，说明水藓科植物在种群间交流的遗传基因并未受到影响．水藓科植物种群
内的遗传变异为92.05%，这可能由于水藓科植物分布范围较校�长期的地理隔离使水藓产生了极其丰富的
种内变异[16]．
通过亲缘关系可知，水藓属中大水藓和羽枝水藓材料聚为一类，弯刀藓属中网齿弯刀藓材料单独聚
为一类，这与经典的分类结果完全相符，3个种群的遗传一致度都在98％以上，说明3个种群的遗传距离相
对较近．亲缘关系系统树（图3）表明种群的遗传距离与地理环境和位置有一定的相关性，其中在羽枝水
藓中，聚为一类的材料3、材料5、材料9和材料10均采自新疆裕民县巴尔鲁克山自然保护区；采自新疆阿尔
泰山布尔津县的材料6、材料12和材料13聚为一类．大水藓科中3种材料各采自不同地区，材料1和材料8均
采自新疆阿尔泰山附近，地理距离较近，二者聚为一类，材料7的采集地相对较远，采自新疆巴尔鲁克山
境内；网齿弯刀藓中材料2和材料4采自新疆阿尔泰山阿尔泰市小东沟，材料11采自新疆喀纳斯自然保护
区，其中材料2和材料4明显聚为一类，与材料11距离较远．所以水藓科的遗传相似性与地理位置有关，这
可能是因为水藓科植物种群中地理距离较近的材料，其生长环境相似，遗传距离也相当较小．这与宾晓
芸[17]、赵冰[16]等人研究的金花茶和蜡梅等植物在遗传距离与地理距离的关系上研究结果相似．但也有许
多学者认为，在植物遗传多样性的研究中，遗传距离与地理距离间没有明显的相关性，这可能与实验材料
有关．水藓植物对生长环境的要求比较特殊，仅生长于水质良好或低温潮湿，有林木庇荫的环境[18]，因此
分布范围较校�对其种群间遗传基因的交流也存在一定的影响．
多年来我国由于对原始森林的砍伐和对自然环境的破坏，许多苔藓类植物种群数量急剧缩减，甚至
消失．例如闭蒴拟牛毛藓（Ditrichopsis clausa）和拟短月藓（Brachymeniopsis gymnostoma）等，现在都很
难发现它们的踪迹．本文研究的水藓科植物中羽枝水藓（Fontinalis hypnoides）也被列为可能濒危物种，
我们应该尽力改善自然环境并对濒危物种给予高度的重视和保护[19]．
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责任编辑：周 蓉
(上接第 383页)
Thus we have
τ
(
EFMpqT (λ)(|T |)
)
≤ 4
∑
k≥1
τ (E[xk−r(xk),xk+r(xk)](|T |))
= 4(
q
p
)
p
q
∑
k≥1
‖E[xk−r(xk),xk+r(xk)](|T |)‖pp,q
≤ 4
λp
(
q
p
)
p
q
∑
k≥1
‖|T |E[xk−r(xk),xk+r(xk)](|T |)‖pp,q
≤ 4
λp
(
q
p
)
p
qM‖
∑
k≥1
|T |E[xk−r(xk),xk+r(xk)](|T |)‖pp,q
≤ C1
λp
‖|T |‖pp,q,
where the last second inequality holds by the fact that Lp,q satisfies a lower p-estimate with 1≤ q ≤ p <∞
(see [6]). It follows that
λτ
(
EFMpqT (λ)(|T |)
) 1
p ≤C‖T‖p,q,
which gives the theorem.
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责任编辑：赵新科