全 文 ：杨属遗传多样性研究进展
尹春英1 , 2 　彭幼红1 　罗建勋3 　李春阳1＊
(1 中国科学院成都生物研究所 ,成都　610041)　(2 中国科学院研究生院 ,北京　100039)
(3四川省林业科学研究院 ,成都　610081)
摘　要　生物多样性的研究和保护是目前全世界普遍关注的问题 , 其中研究较多的是遗传多样性 、物种多样性及
生态系统多样性 ,遗传多样性作为生物多样性的重要组成部分 , 是生态系统多样性和物种多样性的基础方面。杨
树是世界各国普遍种植的木本植物 ,研究其遗传多样性具有重要的理论和实践意义 , 国内外都开展了广泛研究。
本文综述了杨属(Populus)植物的派 、种及无性系等在表型 、染色体 、蛋白质及 DNA 水平的遗传多样性的研究进展。
其表型多样性主要体现在不同水平上的种群大小 、形态特征 、物候期 、材性以及对生物或非生物逆境的抗性等方
面;在杨属植物中已发现有天然的三倍体及三倍体/非整倍体的杂交种存在;蛋白质的多态性主要集中于同工酶的
研究 , 用于不同杨属植物的遗传差异 , 无性系或品种的特征 、分化和遗传研究;DNA 多态性是研究最多的 , RFLP、
RAPD、AFLP和 SSR等分子标记已广泛用于杨属的遗传多样性研究中 , 根据不同的研究目的所选择的 DNA(nDNA ,
cpDNA或 mtDNA)也不同。并根据国内的研究现状 ,提出了几点建议。
关键词　杨属　表型　同工酶　染色体　DNA　遗传多样性
ADVANCES IN RESEARCH ON GENETIC DIVERSITY IN POPULUS
YIN Chun_Ying1 , 2　PENG You_Hong1 　LUO Jian_Xun3 and LI Chun_Yang1＊
(1 Chengdu Institute of Biology , Chinese Academy of Sciences , Chengdu 610041, China)
(2 Graduate School of the Chinese Academy of Sciences , Beijing 100039 , China)
(3 Sichuan Academy of Forestry , Chengdu 610081, China)
Abstract　Conservation of biodiversity is a major issue of concern within the international community , and ge-
netic diversity , the basis of species diversity and ecosystem diversity , is an important research area.Populus
is planted widely throughout the world , and understanding its genetic diversity is critical for both theory and
application.To date , the genetic diversity of Populus has been studied at different levels of organization:phe-
notype , chromosome , protein and DNA .1)Phenotype diversity.Studying the morphology or phenotypic diver-
sity of trees is the easiest and oldest method to measure genetic diversity.Phenotypic diversity is expressed in
the size of the population , morphology , phenology , wood properties and tolerance to biotic or abiotic stress.2)
Chromosome polymorphism .Chromosomes are the carriers of genes , and their variation must lead to the varia-
tion of biological organisms and thus play an important role in evolution.Diversity of chromosomes includes
both the number and structure variation .For Populus , the natural triploidy is found in P .tomentosa , P .
bolleana , and the tri/aneuploid hybrid is found in the lager population of P .trichocarpa ×P .deltoides hy-
brids , but chromosome structure variation is not found.3)Protein polymorphism.Most studies focus on the
isozyme.The method of isozyme e1ectrophoresis , a popular method for examining genetic diversity , is used to
examine the genetic diversity of Populus and the characters or differentiation of clones or varieties.4)DNA
polymorphism.Genetic messages result from the sequencing of DNA , so analyzing DNA directly is the best
method for studying genetic diversity.The DNA molecular markers , RFLP , RAPD , AFLP and SSR , have
been applied to the study of Populus.Based on the objectives of a study , different types of plant DNA (nD-
NA , cpDNA and mtDNA)are used.Using molecular markers , the origins and evolution of Populus have been
studied.
This paper reviewed the progress in research on the genetic diversity of Populus .The results show that
the genetic diversity in sections , populations and clones of Populus is high and related to its origins , large
number of species and broad global distribution.Because genetic diversity controls evolution rates of biological
adaptation and is the basis of breeding and conservation biodiversity , we suggest research in the following ar-
eas :1)combine the study of population genetic structure and differentiation with studies of the conservation
and utilization of Populus ;2)construct the gene pool of Populus ;3)develop breeds of fast_growing and stress
　　收稿日期:2003-08-04　接受日期:2003-12-25
　　基金项目:中国科学院百人计划项目 、知识创新工程项目(KSCX2_SW_115)和国家“973”项目(G2002CB111500)
　＊通讯作者 Author for correspondence　E_mail:licy@cib.ac.cn
植物生态学报　2004 , 28(5)711 ～ 722 　 　 　 　 　 　 　
Acta Phytoecologica Sinica
tolerant Populus .
Key words　Populus , Phenotype , Isozyme , Chromosome , DNA , Genetic diversity
　　生物多样性的研究和保护是目前全世界普遍关
注的问题 ,其中研究较多的是遗传多样性 、物种多样
性及生态系统多样性 。遗传多样性作为生物多样性
的重要组成部分 ,是生态系统多样性和物种多样性
的基础。广义的遗传多样性是指地球上所有生物所
携带的遗传信息的总和 ,但通常所说的遗传多样性
是指种内不同种群之间或一个种群内不同个体的遗
传变异 。遗传多样性的表现形式是多层次的 ,主要
包括表型多样性 、染色体多态性 、蛋白质多态性及
DNA多态性等方面的内容 。遗传多样性通过影响
上述各层次的生物性状 ,导致生物体的不同适应性 ,
进而影响生物的分布和演化(陈灵芝等 , 2001;夏铭 ,
1999)。遗传多样性的研究对于了解种源的适应性 、
物种起源 、基因资源分布及基因资源保护等具有重
要的理论和实际意义(葛颂等 ,1994)。
杨树是世界各国普遍种植的木本植物 ,属杨柳
科杨属(Populus),全世界约 100余种 ,属下通常分 5
个组(派),白杨组 (Sect.Populus)、大叶杨组(Sect.
Leucoides)、青杨组(Sect.Tacamahaca)、黑杨组(Sect.
Aigeiros)和胡杨组(Sect.Turanga)(徐纬英 ,1988;于
兆英等 ,1990)。自然分布于非洲北缘 、小亚西亚半
岛-伊朗高原南部-喜马拉雅山脉南侧-恒河下游 、海
南岛-中国大陆东南部-日本群岛-堪察加半岛-阿拉
斯加南缘-北美洲西缘-墨西哥西北部-墨西哥湾北缘
一线以北和大约沿欧 、亚北极圈-阿拉斯加北缘 、大
熊湖 、哈得逊湾南岸 、查尔斯角一线以南 ,约北纬 19
～ 70°之间的广大地区(赵能等 , 1998)。我国约 60
种 ,主要分布在北方 、西南及华中。杨树具有适应性
强 ,生长速度快和丰产等特性 ,已被广泛地作为短期
轮伐的造林树种 ,在生态环境治理和解决木材短缺
方面均占有重要位置 。杨树作为林业研究中的模式
植物(Gail , 2002),具有优良的实验特性 ,容易进行
种间杂交和无性繁殖;生长迅速 ,并已建立完善遗传
转化系统;基因组相对较小(2 C =1.2 pg)(Bradshaw
&Steller , 1993),约 450 ～ 550 Mbp ,是拟南芥(Ara-
bidopsis)基因组的 4 倍 ,比松树(Pinus)的基因组小
40 ～ 50倍(Anonymous , 2002),染色体数目一致(2 n
=38),易于进行遗传研究;杨树是严格的异交树种 ,
使位点组成高度杂合 ,有利于遗传图谱的构建 ,是林
木遗传研究中较好的材料之一 , 2002 年 2月杨树基
因组测序的项目已启动。研究杨属植物的遗传多样
性可以了解其起源 、资源分布 ,以合理利用 、保存杨
属基因资源 ,为其遗传改良提供科学依据 ,充实杨树
育种工作中的亲本筛选和利用的理论基础 。现就近
年来国内外在杨树遗传多样性方面的研究进展作一
综述 ,以期对该领域的研究起到积极的促进作用 。
1　表型多样性
从形态学或表型性状上来检测遗传变异是最古
老也最简便易行的方法 。通常所利用的表型性状主
要有两类 ,一是符合孟德尔遗传规律的单基因性状
(如质量性状 、稀有突变等),另一类是由多基因决定
的数量性状(如大多数形态性状 、生活史性状)。林
木种内遗传变异是广泛 、多水平的 ,即产地间 、群体
间 、个体间和个体内等 ,不同性状在不同水平上的变
异程度不同。由于杨树易于产生种间杂种 ,生殖器
官难以采集 ,而且大树上的短枝叶变异大 ,使得杨属
种下的表型多样性丰富 ,其表型多样性主要体现在
不同水平上的种群大小 、形态特征 、物候期 、材性以
及对生物或非生物逆境的抗性等方面 。
杨属种类多 ,分布广 ,其遗传多样性与其地域起
源 、分布有很大的关系。Diane等(2000)研究了新墨
西哥格兰德河分水岭 5个弗里氏杨(P .fremontii)种
群 ,发现不同地点间的种群大小 、胸高断面积密度 、
平均胸径及每公顷的平均胸高断面积都存在显著差
异(p <0.000 1),而且其空间分布与河流的关系也
因不同地点而异。在形态及物候等方面的研究相对
较多 。毛白杨(P .tomentosa)的遗传多样性丰富 ,在
皮色 、皮孔排列 、皮孔大小和叶形 4种形态型中 ,河
南和陕西种源的多样性指数大于山西和甘肃种源;
各地优树间在煤污病 、通直度和枝下高等性状上的
变异系数较大 ,而物候期和叶片性状的变异较小;在
9个主要形态和物候性状上 ,种源间的变异占 85%
以上 ,而种源内无性系间差异不显著(李新国等 ,
1996)。白杨派杨树的气孔器密度 、表皮毛 、角质层
和蜡质层等表皮特征不仅与树种有关 ,而且在同一
树种的长枝叶与短枝叶之间 ,也有明显的差异(蒋选
利等 , 1997)。李金花等(2002)利用美洲黑杨(P .
deltoides)50号为母本和青杨(P .cathayana)5个种
源(各 10 个单株)为父本杂交所得杂种 F1 代无性
系 ,对其叶片和生长遗传变异进行了研究 。结果表
明 ,父本青杨种源间及种源内单株间均达到极显著
712　 植　物　生　态　学　报 28 卷
差异 , F1 代无性系的种源间 、种源内家系间和家系
内无性系间存在不同差异 ,F1 代无性系存在丰富的
遗传变异 ,具有选择潜力。不同产地的大青杨(P .
ussuriensis)封顶期和落叶期相差很大 ,并表现一定的
地理规律性;各地生长量差异极为显著(苏晓华等 ,
2001)。
杨树作为短期轮伐的工业用材林及解决市场木
材急需的首选树种 ,其材性也表现出丰富的遗传多
样性(苏晓华等 ,2001;张冬梅等 ,2002)。黄秦军等
(2003)利用美洲黑杨×青杨杂交三代谱系探索了木
材密度 、纤维长 、纤维宽 、纤维长宽比和微纤丝角等
性状的遗传变异规律 。结果表明:基本密度与纤维
长受主基因的控制 ,表现为“质量_数量性状” ,其杂
种优势明显且在 F2代中继续存在;纤维宽与微纤丝
角表现出较为典型的微效多基因控制的数量性状遗
传特点。童再康等(2002)研究表明 ,木材物理性质
在速生杨无性系间无显著差异 ,而力学性质差异显
著或极显著。在主要分布区随机抽取的 6个天然群
体山杨(P .davidiana),群体间及个体间的木材密度
和纤维长度差异都极显著(顾万春等 , 1995)。杨自
湘等(1995)研究发现青杨木材基本密度的变异产地
间大于个体间 ,密度随产地纬度升高而增大 ,纤维 、
导管性状产地间的变异达到 0.05水平显著 ,被测个
体数较大时产地内表现出差异 。8个产地大青杨天
然群体间 、1个群体内 10个个体幼苗的 3个材性主
要指标纤维长度 、宽度和基本密度差异显著(张立非
等 ,1996)。黑杨派新无性系材性的株内变异规律表
现为:树干的纤维长度自上而下逐渐增长 ,树冠上部
枝条的纤维较中 、下部枝条为短;树干木材的基本体
积质量则以下部的为高 ,上部稍大于中部;枝条的基
本体积质量 ,以树冠下部的为最小 ,自下而上增大 。
不同树干部位木材纤维的长短频率分布均匀且遵从
正态分布(童再康等 ,2000)。
杨树的表型多样性还表现在形态 、萌芽 、叶片衰
老时间 、秋天着色(Mitton &Grant , 1996)及对昆虫 、
病原体(Chilcote et al ., 1992)和干旱(Griffin et al .,
1991)、寒冷(徐红等 ,1994;杨敏生等 ,1997;沈漫等 ,
1997)的抗性等方面 ,杨树的基因型还影响到叶片化
学组成及含量(Lindroth et al ., 2002;Lindroth &
Hwang , 1996),而且 ,不同杨树形成菌根的能力也存
在遗传差异(Denis et al ., 2001)。另外 ,空气中 CO2
的富集可导致杨树基因型的变异(Lindroth et al .,
2001),转基因杨树在形态上也有变化(Mohri et al .,
1999)。
2　染色体多态性
染色体是遗传物质的载体 ,是基因的携带者。
与形态学变异不同 ,染色体变异必然导致遗传变异
的发生 ,是生物遗传变异的重要来源 。在任何生物
类群的天然居群中都存在或大或小的染色体变异 ,
这些变异在进化过程中起着十分重要的作用。染色
体变异主要体现为染色体组型特征的变异 ,包括染
色体数目变异(整倍性或非整倍性)以及染色体结构
变异。
一般的杨树多为二倍体 ,但也偶尔发现多倍体
及非整倍体的存在 ,表现出染色体的多态性。Brad-
shaw等(1993)在构建杂交杨基因组连锁图谱时 ,检
测到亲本的几个限制性片段长度多态性(Restriction
fragment length polymorphism , RFLP)是杂合的。在 11
个 F1杂交后代中有 3个个体的图谱在一些位点上 ,
既继承了母本的两个等位基因 ,又继承了父本的单
个等位基因。对于该发现中这 3个 F1 个体非整倍
性或多倍性的最简单解释是雌配子形成过程中部分
或完全不分离造成的。通过荧光流量细胞计数 ,这
3个具有额外 RFLP 等位基因的 F1 后代中有两个具
有三倍体核 DNA 含量 , 另外一个具有亚三倍体核
DNA 含量 ,可能是非整倍体。在三/非整倍体的杂
交种间 ,叶片的数量性状或倾向于母本毛果杨(P .
trichocarpa)的特征值(近轴气孔密度 、叶柄长度 、叶
片长度比率及背轴颜色),或表现为超亲变异(表皮
细胞的大小),可利用背轴颜色来筛选毛果杨×美洲
黑杨杂交大种群中的三/非整倍体。
康向阳(1996)采用去壁低渗制片技术对毛白杨
等几种杨树的染色体数目及形态进行了研究 ,首次
发现在毛白杨群体中有天然三倍体存在 ,并推断杨
树的核仁组织者(NOR)区域可能在一对收缩迟缓的
较小染色体上。为进一步确认经秋水仙碱诱导出的
毛新杨(P .tomentosa ×P .bolleana)大花粉在毛新
杨雌花上授粉后所得到的后代个体 TBT_7是三倍体
杨树 , 对 TBT_7 及其父 、母本(TB11 , TB01)、对照
(TBD)和三倍体欧洲山杨分别进行叶片面积 、厚度
和气孔长度等特征的比较 ,结果表明 TBT-7的多倍
体巨大性是显著的(李凤兰等 ,1994)。
3　蛋白质多态性
蛋白质多态性的研究主要集中于同工酶的研
究 。酶是基因表达的产物 ,其多肽链中的氨基酸序
列由结构基因的核苷酸序列决定 ,同工酶的产生是
5 期 尹春英等:杨属遗传多样性研究进展 713　
由于构成酶蛋白亚基的氨基酸组成和顺序不同所导
致的 。Markert和Moller(1959)报道了乳酸脱氢酶在
不同组织 、不同个体以及不同种内的不同形式的存
在 ,这就导致了“同工酶(Isozyme)”概念的产生 ,有机
体产生的催化同一反应但具不同分子形式的酶 。
1966年 ,Hubby 及 Lewontin和Harris分别报道了利用
凝胶电泳技术结合酶的特异性染色对果蝇和人类种
群遗传变异的定量研究 ,从此同工酶技术被广泛地
应用于天然种群变异的研究中。Prakash等提出了
把同一基因位点的不同等位基因所编码的一种酶的
不同形式叫做“等位酶(Allozyme)” ,是借助于特定的
遗传分析方法确定的一种特殊的同工酶 ,把它从广
义的“同工酶”的概念中分了出来。同工酶电泳技术
通过对各种同工酶的电泳谱带的分析 ,可以识别出
控制这些酶的基因位点和等位基因 ,从而达到在基
因水平上研究生物体的目的。由于其通常以共显性
方式遗传 ,在生物界中广泛存在;且材料来源丰富 、
实验技术简单 、结果易于比较 ,使其成为一种十分有
效的遗传标记 ,因而成为近一二十年来检测遗传多
样性应用最普遍的方法 ,是当前分子系统学中应用
最广泛的手段。
同工酶标记已被用于不同杨属植物的遗传差异
(Legionnet &Lefèvre , 1996),无性系或品种的特征 、
分化(Rajora , 1988;1989;Rajora &Zsuffa , 1989;Ra-
jora &Dancik , 1992a;1992b ;Castillo &Padró , 1987)
和遗传研究(Mǜller_Starck , 1992;Gallo et al .,
1991)。
国内关于杨树同工酶的研究主要集中在过氧化
物酶 、超氧化物歧化酶及酯酶等 。刘玉喜等(1990)
对自行加倍的小黑杨(P .xiaohei)花粉植株的休眠
芽进行了过氧化物酶同工酶分析 ,发现株间有差异 ,
酶谱可截然分成两类 。而且小黑杨花粉植株休眠芽
的过氧化物酶同工酶酶谱是稳定的 ,可用来鉴定小
黑杨花粉植株的无性系。王艳等(1995)研究表明:
亲缘关系较近的青杨和黑杨 SOD同工酶谱较为相
似 ,而与它们亲缘关系较远的白杨 SOD同工酶谱存
在较大差异。SOD同工酶谱分析可应用于杨属植物
的分组 、无性系及亲缘关系的鉴定 。
国外关于同工酶水平上多样性的研究较为广
泛 ,涉及杨属植物的种类及所分析酶系统的种类都
较多。Rajora等(1991)研究了来自安大略湖 9个东
部三角叶杨(Populus deltoides var.deltoides)种群的
不同个体根尖中 11个酶系统同工酶变异及 7 个叶
片特征的形态变异 。平均起来 ,每种群 42.2%的位
点具有多态性 ,每位点等位基因数目为 1 .7 ,观测到
的杂合度为 0 .063 ,种群间总的平均遗传距离为
0.007。同工酶数据的主成分分析(PCA)将所有种
群分为 5组 ,东 、西部种群间有细微的分离。叶片特
征在种群间(p ≤0.003)及种群内(是个例外 , p ≤
0.027)有显著变异 ,叶脉数目与经度(r =0.81 , p <
0.009)及纬度(r =-0.69 , p <0.05)呈显著相关 ,其
它叶片特征与经 、纬度无关。基于同工酶和形态参
数的变异模式与分化间不一致。结果说明安大略湖
的东部三角叶杨具有中度的同工酶及高度的叶片形
态变异 。随后(Rajora &Dancik , 1992a)测定了美洲
黑杨 , 欧洲黑杨(P .nigra), 马氏杨(P .maximow-
iczii)和加拿大杨 P .×canadensis 54 个无性系及 P .
deltoids与P .deltoids , P .nigra , P .maximowiczii 7
个杂交系统的子代和亲代的 11个酶系统(顺乌头酸
酶ACO ,显色酯酶 CE , 谷草转氨酶GOT , 异柠檬酸
脱氢酶 IDH , 亮氨酸氨肽酶 LAP , 苹果酸脱氢酶
MDH , 过氧化物酶 PER , 葡糖磷酸变位酶 PGM , 6_
磷酸葡萄糖酸脱氢酶 6_PGD , 磷酸葡糖异构酶 PGI ,
莽草酸脱氢酶 SDH),发现编码 11 个酶系统的共有
33个基因 。在 3个种及 1个种内杂交种叶片组织中
表达的基因有 87%～ 91%也在根尖组织中表达 , 26
个位点的等位酶在叶片和根尖中都有表达 ,但在根
尖组织中表达的 4 个位点(Per_1 , Per_2 , Per_3 和
Sdh_2)在叶片组织中没检测到;另外 ,两个 PER位点
(Per_L1 和Per_L2)只在叶片组织中检测到 。在叶片
中检测到的 4 个酶带(CE_1 , CE_2 , PER_L1和 PER_
L2)的同工酶变异是由单基因控制的 。同种杨的等
位酶是由等位基因编码 ,而不同种的等位酶位于 16
个位点 。P .deltoides , P .nigra 和 P .maximowiczii
根据其叶片中 CE_1 同工酶来区分 。并(Rajora &
Dancik , 1992b)对银白杨(P .alba),欧洲山杨(P .
tremula)及 P .× canescens的个体进行了同工酶分
析 ,以认识种 、杂交种和个体的遗传特征与分化 ,确
定它们的遗传关系 ,观测了编码 15个酶的具有 71
个等位基因的 30个基因位点 。个体可通过它们的
多位点基因型鉴别。在 23个 P .alba 无性系中有
21个独特的多位点基因型 。来自加拿大的 5个 P .
alba 无性系明显不同。18 个 P .tremula 和 15 个
P .× canescens无性系都各自具有独特的多位点基
因型。13个无性系具有独特的单位点基因型。多
态性位点的百分率 、每位点的平均等位基因数目及
所观测到的平均杂合度分别为 50.0 、1.86和 0.085
(P .alba), 51.7 、1.66 和 0.096(P .tremula)及
714　 植　物　生　态　学　报 28 卷
51.7 、1.86和 0.157(P .× canescens)。 P .alba 与
P .tremula 在遗传上明显不同 ,可通过在 Aco_3上不
能共存的等位基因 、P .tremula 特异性基因Mdh_3
和在 6个位点上等位基因频率的不同来区分。 P .
× canescens具有P .alba 和 P .tremula 等位基因的
贡献 ,然而 ,其等位基因频率更接近于 P .alba 而不
是中亲值。P .alba 与P .tremula 、P .alba , 与 P .
× canescens及P .tremula 与 P .× canescens间的平
均遗传多样性分别为 0.749 、0.987 及 0.871。多位
点基因型的典型判别分析(Canonical discriminant
analysis)将 P .alba , P .tremula 和 P .× canescens
分为明显不同的三组 ,并描述了近似的种间关系 ,结
果说明 P .× canescens 个体是由 P .alba 与 P .
tremula 的 F1杂交种及其与 P .alba 回交后代的混
合。Liu等(1993b)对于颤杨(P .tremuloides)5 个全
同胞家系亲代和子代叶组织的等位酶变异检测了 9
个酶系统 ,检测出 14个等位酶位点 ,其中 8 个多态
性位点 ,6个单态性位点 。
当仅通过形态特征难以将杨树区分时 ,可利用
生化表型来区分 ,Castillo等(1987)利用 PGM 和 PER
的同工酶淀粉凝胶电泳图谱来区分欧美杨的两个无
性系“I_214”和“Campeador” 。Gallo 等(1991)利用水
平凝胶电泳技术分析了 8个 P .tremula ,6个美洲山
杨(P .tremuloides)无性系和 49 个全同胞家系的
GOT 、LAP、 6_PGDH 及 SKDH 。对于 GOT ,发现一条
多态性带 ,7个全同胞家系的分离符合孟德尔遗传;
对LAP和 6_PGDH ,均出现了两条清晰的带 , LAP 基
于6个和 34个全同胞家系同工酶变异的表型分离 ,
说明有两个多态性位点。在 24个全同胞家系中由
两个位点都推断出“无效等位基因”的存在 。由 17
个全同胞家系分离分析可阐明 6_PGDH 上层带的遗
传控制。在12 个全同胞家系中 SKDH 也说明了孟
德尔遗传模式。花粉的电泳带型与芽的相似 ,但与
预想的迁移距离有轻微的改变(Lap_B , Skdh 和
6Pgdh_A)。 Lap_A 在花粉提取物中不存在 , 对 6_
PGDH 和GOT 的同工酶电泳凝胶染色时没有发现杂
交带 。
Mǜller_Starck(1992)为检测 15个酶系统多态性
的遗传控制及遗传规律 ,通过淀粉凝胶电泳或等电
聚焦对 11个全同胞家系进行了分析。该研究包括
检测同工酶在不同环境 、个体发育及组织特异性变
异 ,也进行了对酶系统在细胞中的定位。个体内同
工酶的改变可发生在酸性磷酸酶 ACP 、酯酶 EST 和
PER系统 ,所以它们不包括在遗传分析内 。全同胞
家系的分离揭示了所测酶类型的共同表达 ,结论为
12个酶系统的遗传控制至少为 18个多态性基因位
点 。对于39个为一组的青杨派无性系和杂交种 ,每
位点的等位基因数目为 3.4 ,在 62个不同的两位点
组合的基础上进行了重组分析 ,两对位点 GOT_A/
GOT_B 和NDH_A/ PGM_A的分离结果与随机分离规
律有极显著偏差 ,位点 IDH_B 、6PGDH_B 及PGI_B 被
认为属同一连锁群 。
Legionnet等(1996)利用 8个多态性同工酶位点
描述来自法国 111个地点及另外 60个来自整个树
种分布范围的 P .nigra 个体的遗传多样性水平和
组织 ,找到了描述和评价遗传多样性及分化的方法
和指标 ,并将综合的遗传多样性水平与其它分布广
泛的树种作了比较 ,虽然当地等位基因的固定说明
了基因流的有限性 , 3 个地理层次的分化很低。
Steven等(1992)检测明尼苏达州 9个颤杨种群的 10
个多态性同工酶位点的多样性 ,同工酶杂合度的观
测平均值和期望估计值分别为 0.217和 0.220 ,种群
间等位基因的频率无显著差异 ,与在 Hardy_Weinberg
平衡下所期望的基因型频率无显著偏差。这些结果
说明种群间存在相对较高水平的基因流和包括较少
近亲繁殖的交配系统。
4　DNA多态性
DNA是遗传物质的载体 ,遗传信息就是 DNA的
碱基排列顺序 ,因此直接对 DNA碱基序列的分析和
比较是揭示遗传多样性最理想的方法 。对于杨树
DNA多态性的研究 ,在核 DNA 、叶绿体 DNA及线粒
体 DNA 方面都有研究。近年来 ,随着 DNA 分子标
记技术的不断完善和发展 , DNA 分子标记 , 包括
RFLP、RAPD 、AFLP、SSR技术等 ,正广泛地应用于杨
树遗传多样性的研究(向碧霞等 , 1998;张德强等 ,
2000 ;2001)。RFLP 限制性片段长度多态性 ,是在杨
树上应用较多的一种分子标记(Liu &Furnier ,
1993a;Villar et al., 1996;Vornam et al ., 1994;
Bradshaw et al ., 1994)。 RAPD (Random amplified
polymorphic DNAs)随机扩增多态性 DNA ,具有技术
简单 ,速度快 ,非常灵敏 ,DNA 用量少 ,不需要探针 ,
多态性识别率高 ,不需要同位素 ,安全性好等优点。
可以对植物个体的遗传物质进行直接地比较 ,不受
环境对基因表达的影响而揭示种间和种内的遗传结
构 。它为揭示遗传变异的性质和水平 、并据以确定
林木育种策略及揭示物种演化等提供了崭新的研究
手段 。在杨树研究中是应用最广泛 ,报道最多的。
5 期 尹春英等:杨属遗传多样性研究进展 715　
微卫星 DNA是真核生物基因组重复序列中的主要
组成部分 ,也称简单串联重复序列(Simple squence
repeats ,SSRs)或简单串联重复序列多态性(Short tan-
dem repeat polymorphism , STRP),这些位点由非常短
的串联重复DNA片段(1到 5个碱基)组成。微卫星
DNA的高突变率 、中性 、共显性及其在真核基因组
中的普通性 ,使其成为居群遗传学研究 、种质资源鉴
定 、亲缘关系分析和图谱构建的优越的分子标记(徐
莉等 ,2002)。微卫星 DNA或 SSR标记 ,因其极高的
突变率 、共显性和极好的重复性 ,成为鉴别杨树无性
系或品种的理想标记(Dayanandan et al., 1998;Rah-
man et al ., 2000)。
4.1 　细胞核 DNA的遗传多样性
细胞核 DNA(nDNA)是双亲遗传 ,能反映真正的
进化历程 ,所以在系统发育与进化的研究中应用较
多。
关于杨属各派的亲缘关系 ,史全良等(2001)用
内转录间隔区(Internal transcribed spacers , ITS)序列
研究杨属各组之间的系统发育关系 ,分析结果可把
杨属 5组分成两大分支 ,白杨组为一支 ,其余 4组则
构成另一支 ,即白杨组为其余各组的姐妹群。杨属
为单系起源 ,其 Bootstrap值支持率达到100%。各组
在杨属中明显是独立的 ,黑杨组 、胡杨组 、青杨组和
大叶杨组 4组构成一个单系群 ,得到了 Bootstrap 值
的有力支持(97%)。李宽钰等(1996)收集了杨属 3
个派(青杨派 、黑杨派和白杨派)内 20个种的 28 个
无性系 ,筛选 7个引物进行 RAPD分析 。共产生 54
条有效谱带 ,其中 43 条(79.63%)表现多态性 。任
意两无性系间的遗传距离(D)为 0.930 ～ 0.031 ,以
D值为基础研究 3个派的系统进化关系 ,聚类结果
表明 3个派明显独立 ,且青杨派与黑杨派关系较近 ,
而与白杨派则相对较远 ,结合其它研究成果推测白
杨派较早从杨属中分离出来 ,而青杨派和黑杨派则
较晚 。并用 RAPD技术对广泛分布区内的青杨分析
群体间和群体内的 DNA多态性(李宽钰等 , 1997b),
揭示了青杨种内具有丰富的遗传变异性 ,群体间的
DNA多态性远高于群体内的 ,而且东部群体与西部
群体间存在较大的遗传差异 ,相邻产地间的遗传差
异相对较小 ,表明东 、西部群体已出现明显分化。西
部群体内 DNA多态性比东部群体高 ,因此西部群体
在研究青杨的起源与演化中将显得更为重要 。按照
多样性中心与起源中心的关系 ,青杨可能起源于我
国西北部 ,逐渐向东扩散 ,形成现代分布格局 。苏晓
华等(1996)对青杨派主要树种大青杨(P .ussurien-
sis)、甜杨(P .suaveolens)、香杨(P .koreana)和马氏
杨(P .maximowiczii)种间及种内遗传变异进行了
RAPD检测 ,建立的系统树说明了分子水平分类的
结果与经典分类一致 , 4树种可能的亲缘关系及系
统发育史为:马氏杨出现最早 ,甜杨次之 ,香杨再次
之 ,大青杨最晚;大青杨与香杨亲缘关系最近 ,因此 ,
以往认为大青杨与甜杨亲缘关系最近的说法有必要
重新审视;同时 ,各树种内也均存在着遗传多样性。
随后用 RAPD分析了大青杨天然群体间和群体内的
遗传结构变异及群体的遗传分化程度(苏晓华等 ,
1997 ;2001),结果表明:Shannon表型多样度估测值
在群体间变动范围为 0.271 ～ 0.392 ,平均为 0.310。
对分子水平变异分为群体间和群体内两部分进行分
析 ,群体间分量占总变异的 62.3%, 群体内只占
37.7%。李宽钰等(1997a)又利用 RAPD研究毛白杨
的起源 ,结果说明毛白杨的亲缘关系与银白杨和响
叶杨较近 ,而与山杨和欧洲山杨的亲缘关系则较远。
通过比较毛白杨与银白杨和响叶杨的正反交子代 ,
发现毛白杨更接近银白杨×响叶杨的子代 ,而与反
交子代有所区别 。由此可见 ,毛白杨为天然杂种是
没有疑义的 ,而且很可能是银白杨×响叶杨的杂种。
微卫星标记作为后来发展的 DNA标记 ,因其独
特的优势在杨属研究中也得到了较多的利用 ,最早
开始于引物的筛选。Dayanandan 等(1998)分离并描
述了颤杨的 SSR位点 ,检验了颤杨 SSR引物对于杨
属其它树种微卫星的兼容性和可利用性。对于 36
个颤杨个体 ,在 4个 SSR位点上共检测到 29对等位
基因 ,在 SSR位点上 ,等位基因的数目为 5 ～ 11 ,每
位点平均7.25对等位基因 ,观测到的杂合性为 0.19
～ 0.82 ,每位点平均为 0.46。这是微卫星技术在杨
树上首次应用。随后 ,Schoot 等(2000)对黑杨的微
卫星位点进行了克隆 、测序 ,并合成了序列标记微卫
星(Sequence_tagged microsatellite , STMS)分析的引物 。
12对二核苷酸重复的引物所产生的片段表现出黑
杨的多态性。利用最好的 9个和 GT 、GA微卫星标
记 ,对来自欧洲的 23个不同基因型的黑杨进行检
测 ,发现微卫星具有很高的多态性 ,在 23个基因型
中 ,每个微卫星位点有 10 ～ 19个不同的等位基因。
Rahman等(2000)由部分基因文库进行了颤杨的 8
个新微卫星 DNA 或简单序列重复(SSR)位点标记 ,
通过测定的 38个 P .tremuloides个体的多态性检测
这些微卫星 DNA标记的信息量 ,在人工杂交的后代
中检测所选标记的遗传 ,发现微卫星 DNA标记对于
所测杨树品种是最有信息量的 DNA 指纹。在每个
716　 植　物　生　态　学　报 28 卷
位点上 ,微卫星的信息量是 RAPD标记的 6倍 、等位
酶标记的 9 倍。但对每个引物 , RAPD标记具有更
多的信息量。
Liu等(1993a)测定了 130个美洲山杨和 105个
大齿杨 (P .grandidentata)个体的同工酶位点 、核
DNA RFLPs及 RAPDs 的遗传多样性 , RFLPs和等位
酶揭示了两个种遗传多样性的对照图谱;在等位酶
和DNA水平上 , P .tremuloides的遗传多样性都高于
P .grandidentata ;同时证明 ,在杨树上用 DNA 标记
比等位酶标记可产生更多的多态性及种特异性位
点。
利用 DNA多态性鉴别种或无性系的报道也很
多 ,即使在形态和物候基础上不能识别的 , 利用
RAPD技术仍可鉴别出来 ,而且生长在不同地点的
同一无性系植株其指纹没有差异(Castiglione et al .,
1993)。Zsuffa(1995)曾用 RAPD技术利用 DNA指纹
分析杨树的无性系特征。尹佟明等(1998)使用两个
引物组合(E_ACA和 M_CAG;E_AAC 和 M_ACT)构建
了美洲黑杨42个无性系的 AFLP 指纹图谱 ,根据每
一无性系的特征谱带组合 ,可以鉴别不同的无性系 。
Rahman等(2002)曾用微卫星 DNA 指纹研究 6 个不
同种的无性系和品种之间的遗传差异及关系。10
个简单序列重复位点的微卫星 DNA标记用于来自3
个组 6个不同种的96个杨树无性系/变种和品种的
区分及遗传指纹的构建。基于其单位点或多位点微
卫星基因型 ,所有的无性系/变种都有独特的指纹 。
来自于同一个种的不同无性系/品种较来自不同种
的表现出更高的微卫星 DNA 相似性 。根据微卫星
基因型相似性的 UPGMA 聚类结果 ,将 96个无性系
分为 6个主要的组 ,与它们所属种相对应 ,而且 P .
nigra var .italica无性系与 P .nigra var.nigra 无性
系有着遗传差异 。Rajora等(2003)利用 10个SSR位
点和 248个 RAPD位点 ,鉴别 17个杨树品种的 DNA
指纹及其分化 ,确定其遗传关系 ,同时与等位酶标记
比较 ,结果发现 ,所测品种均有很高的微卫星 DNA
和 RAPD遗传多样性 ,在 4个 SSR位点上 17个品种
均可利用其多位点基因型所鉴别。对于微卫星 ,每
位点的平均等位基因数目 、多态性信息 、杂合性 、基
因型和具有独特基因型的品种分别为 5.2 、0.64 、
0.67 、5.7和 2.2。对于 RAPD ,每位点单模标本及具
有独特基因型的品种数目分别为 1.06和 0.72。
rDNA作为编码核糖体 RNA 的基因 ,在植物中
以重复连续方式排列 ,包含进化速率不等的编码区
(如 5SrDNA 、18SrDNA等),高度保守 ,可以为系统发
育研究提供广谱的信息。D Ovidio(1992)和 Madan
等(2002)分别对 P .deltoides 5.8S rDNA基因及内转
入间隔区的核苷酸序列和 5S rDNA的长度及核苷酸
序列异质性进行了研究。Faiver_Rampant 等(1992)
建立了 P .nigra , P .deltoides , P .trichocarpa , P .
maximowiczii 和P .alba 对于限制性酶 EcoRⅠ 、EcoR
Ⅴ 、BamH Ⅰ 、Pst Ⅰ和 Sac Ⅰ核 rDNA物理图谱 ,在基
因间的间隔区(主要对 EcoRⅠ和 Pst Ⅰ)不同种间表
现出很大的变异 。对于每种的几个无性系 ,在其基
因组中有2 ～ 3个主要单元类型共同存在 ,同时发现
几个次要单元(也就是长度不同的单元或新单元类
型)。种间的变异主要归因于不同的主要单元类型 ,
而同种不同无性系间的变异归因于次要单元类型。
同种的不同无性系具有相同的主要单元类型 ,但其
次的不同长度单元或单元类型不同。杂交种的无性
系具有两亲本种的主要单元类型之和 ,这些现象说
明 3个 rDNA位点的存在。结合一个酶 EcoRⅠ和一
个探针(完全 rDNA 单元)可容易地区分 5 个种 ,相
反 ,检测到的 P .nigra 属无性系中存在的 rDNA片
段是 P .deltoides特有的 ,于是得出结论 ,这些无性
系可能在林型中有杂交现象 ,但在表型上无表现 。
4.2　叶绿体 DNA的遗传多样性
近几年 ,叶绿体 DNA(cpDNA)的研究越来越受
到重视 ,因为叶绿体不仅是植物光合作用的器官 ,而
且 DNA分子结构紧凑 ,相对于核 DNA 而言 ,分子量
小 ,结构简单 ,更易从分子水平上作精细分析;另外 ,
cpDNA具有稳定性 、进化缓慢性及编码序列的保守
性 ,因而是研究植物系统发育的好材料;以 cpDNA
为材料 ,经限制性内切酶降解 ,用所产生的 RFLP 来
研究分类及系统进化 ,具有重复性高和不受环境条
件影响等优点。
卢孟柱等(1992)对 5 种杨树的 cpDNA 进行
RFLP分析 ,发现由 Sal Ⅰ 、PstⅠ和 PvuⅡ所产生的酶
切图谱完全一致 ,表明杨树 cpDNA 在进化过程中非
常保守 , 结构没有发生很大变化(无缺失或插入
DNA片段);而用 EcoRⅠ和 BamH Ⅰ酶切所产生的差
异是由于酶切位点上发生了变化(点突变),失去或
产生了新的酶切位点造成的。从得到的结果可推
测 ,选取更多的内切酶 、建立酶切图谱 ,进行杨树各
派 、种的 cpDNA 的 RFLP 分析 ,对杨树的分类 、杂交
育种及阐明系统进化具有重要意义。 cpDNA的差异
已被应用于研究杨树种内和种间的变异 , Rajora 等
(1995a;1995b ;1995c)利用 16个核酸内切酶和克隆
的矮牵牛(Petunia)cpDNA 片段的 6个异源探针的
5 期 尹春英等:杨属遗传多样性研究进展 717　
限制性片段分析 ,检测了 P .deltoides , P .nigra 和
P .maximowiczii 3个种间的 cpDNA变异 ,3个种均表
现出种间 cpDNA变异 ———P .deltoides品种间及品
种内 、P .nigra 品种内和 P .maximowiczii 起源种的
变异 。P .deltoides的两个品种 var.deltoides和 var.
occidentalis表现出具有明显不同的 cp 基因组/DNA。
同时还检测了 P .deltoides , P .nigra , P .×
canadensis(P .deltoides ×P .nigra)及 P .maximow-
iczii的种内 cpDNA 的多样性和遗传关系 , P .×
canadensis与 P .deltoides var .deltoides 具有相同的
cpDNA限制性片段图谱 , P .nigra 与P .deltoides 差
异较大 , P .deltoides 与 P .× canadensis具有较近
的 cpDNA关系 ,并建议 P .nigra 应划分为一个独立
的新派(组)Nigrae 。通过对自然起源的 P .×
canadensis的线粒体和叶绿体 DNA 分析表明 , 证明
其母本是 P .deltoides var.deltoides 。
Mejnartowicz(1991)利用 RFLPs作为一种标记用
于测定在杨杂交过程中 cpDNA 的传递 。植物材料
包括 P .trichocarpa , P .maximowiczii × trichocarpa ,
P .maximowiczii × nigra 的个体及这些树之间的人
工杂交后代 ,利用异源 cpDNA 探针分子杂交来鉴定
RFLPs。通过对亲本及其后代限制性片段带型分析
发现 ,在后代中只有母本的带型而无父本的带型 ,该
结果为杨无性系研究中叶绿体遗传的母性遗传模式
提供了清晰的证据。
Vornam等(1994)在杨树无性系 Beaupré 的总
DNA文库中发现有一个 DNA克隆可鉴别不同杨树
品种的限制性位点多态性 ,该克隆代表一个与豌豆
和菠菜中编码 D2蛋白质和 44 kDa 反应中心的一个
光合系统Ⅱ基因有很近同源性的一个 cpDNA 基因 。
因为杨树叶绿体基因组是母性遗传的 ,该 cpDNA 探
针可用于鉴别西德天然林中以 P .nigra 或P .del-
toides为种子亲本的 F1 杂交树。Rekha 等(2002)研
究了 P .deltoides 叶绿体psbB 操纵子的petB 和 petD
基因的特征。
4.3 　线粒体 DNA的遗传多样性
线粒体是真核生物细胞内的一种重要而独特的
细胞器 ,对大多数真核生物来说 ,线粒体是一种不可
缺少的细胞器。同时 ,线粒体能够携带自己的遗传
物质 ,并有自己的遗传密码 ,这就使得线粒体与其它
一般的细胞器不同。研究证实 ,线粒体基因组具有
编码一系列重要生物学功能的基因 ,它们不但编码
核糖体和生物氧化链上某些重要酶的部分亚基 ,而
且与真核细胞的抗药性 、细胞的生命周期 、植物的胞
质雄性不育有关(Salch , 1989;凌杏元等 ,2000)。由
于线粒体 DNA(mtDNA)具有严格单亲遗传的特点 ,
加之在多数真核生物中 ,线粒体基因组较小 、易于测
序及分析 。因此 ,目前 mtDNA已成为人们对生物物
种的比较遗传学与系统学研究的理想工具 。但由于
植物中 mtDNA 的进化较 nDNA 和 cpDNA 都慢
(Palmer &Herbon., 1988),经常发生序列重组 ,基因
组也较动物的大 , 且变动范围大(Ward et al .,
1981),因此植物的 mtDNA分析受到很大限制 ,在杨
属植物研究中报道也不多。
Barrett等(1993)检测了 4个不同种杨树(P .ni-
gra , P .deltoides , P .maximowiczii 和P .tremuloides)
及自然杂交种 P .× canadensis (P .deltoides × P .
nigra)的线粒体基因组中编码细胞色素 C 氧化酶
(Cox Ⅰ)和腺苷三磷酸酶 6(Atp6)区域内及周围的变
异 。这些杨树的总细胞 DNAs用 16个限制性核酸
内切酶消化 ,以玉米 mtDNA 特异性探针(Cox Ⅰ和
Atp6)为探针 。对于 Atp6观测到的唯一变异是种间
的 ,用 EcoRⅠ消化后发现 P .maximowiczii 可与其它
种分开;对于 Cox Ⅰ探针 ,在 P .nigra , P .maximow-
iczii , P .× canadensis 或 P .tremuloides 的不同个体
间未发现 mtDNA的种内变异 ,但是 ,用 Kpn Ⅰ消化
后 ,由于单位点的变化 , P .deltoides的两个种明显
不同 ,说明 P .deltoides var.deltoides和 var.occiden-
talis在 Cox Ⅰ基因区域有明显不同的线粒体基因组。
P .× canadensis与被疑似为其母本P .deltoides具
有相同的限制性片段带型。种间每位点核苷酸替代
值说明 P .tremuloides 与 P .deltoides 和 P .×
canadensis的关系最远 ,与 P .nigra 最近 , P .maxi-
mowiczii 介于两类之间 。
5　小　结
杨属种类多 ,分布广 ,其遗传多样性大多与其地
域起源 、分布有很大关系 。就杨属植物丰富的资源
及其不可估量的生态和经济价值的角度来看 ,杨属
植物遗传资源的研究存在着巨大的差距。国内关于
杨树遗传多样性方面的研究起步较晚 ,而且主要集
中于少数几个种的研究。从总的发展趋势看 ,采用
常规方法与现代技术相结合 ,以先进的技术手段 ,量
化表型数据与分子数据 ,进行对偶研究 ,提高遗传多
样性研究和种质保存的高效性 、可靠性及科学性已
成为发展的必然趋势。国内外在派间 、种间 、种内及
群体等水平对杨属植物的遗传多样性进行了较为系
统的研究 ,揭示了杨属植物丰富的遗传多样性。随
718　 植　物　生　态　学　报 28 卷
着DNA分子标记技术的进一步发展 ,对杨属植物交
配系统 、基因流 、各个水平遗传多样性的研究将更加
广泛和深入。
遗传多样性水平不仅制约着生物适应性进化速
率 ,而且是人工育种和生物多样性保护实践的前提 。
鉴于遗传多样性研究的重要理论与实践意义 ,结合
当今国内研究现状 ,对今后的工作提出几点建议:1)
杨属植物种群遗传结构和分化研究与资源保护和利
用相结合;采用常规方法与先进的分子生物学技术
相结合 ,研究和评价杨属植物资源遗传多样性 ,研究
种间及种内群体间遗传结构的时空 、动态分布。2)
营建杨属植物种质资源基因库。根据资源特点 ,制
定相应的就地保护与迁地保存策略 。为该类植物的
保护与合理利用法规的完善提供理论依据;为种源
区划 、优良种源的选择 ,长期合理利用杨属植物资源
奠定基础;结合环境保护战略 、国民经济发展需要和
市场需求 ,开辟综合利用杨属植物种质资源的途径 。
在生物多样性受到严重威胁的当今 ,保护现有的种
质资源更显得尤为重要 。根据杨属植物的特点 ,用
种子保存的优点在于遗传基础广 ,植物检疫危险性
小 ,但由于各地种子成熟期不一致 ,难于采集 ,不易
提供代表性的样品 ,而且很可能是杂种 ,因此一般采
用插条保存。3)以加快培育速生 、抗逆性强的优良
品种为目标 ,开展杨属植物的育种工作。育种的实
质是利用其所具有的符合育种目标要求的基因。基
因资源是育种工作的物质基础 ,种群遗传结构和分
化研究是理论基础。杨树作为分布广泛 、历史悠久
的植物 ,其种质资源是极为丰富的 ,具有多种目标所
要求的基因;而且我国有很多优良的种质资源 ,如极
耐寒的甜杨 、帕米杨 ,极耐干旱盐碱的胡杨等 ,我国
特有青杨派的 32种 。对于如此丰富的种质资源 ,我
们应从速进行系统的遗传研究 ,筛选出优良基因 ,培
育优良品种。
参　考　文　献
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责任编委:葛　颂　责任编辑:刘丽娟
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