太白山独叶草的小尺度分布成因及其克隆结构、遗传多样性研究
独叶草（Kingdonia uniflora）是星叶草科（Circaeasteraceae）独叶草属多年生草本植物（APG 2003），是我国特有的单种属植物。该物种起源非常古老，现已经被列为国家一级重点保护植物和中国生物多样性的关键类群。关于独叶草的生物学特性、形态学、传粉学、解剖学、繁殖生物学以及地理分布等方面的研究工作已经积累了大量的相当细致和丰富的资料，然而尚未对独叶草小斑块分布成因以及其沿海拔梯度的遗传多样性和克隆结构进行研究。 本研究为了解决独叶草的小斑块分布成因，拟用生理手段解决生态学中的分布问题，并采用ISSR和SSR分子标记技术揭示太白山海拔梯度造成的生境差异对独叶草遗传多样性和遗传结构的影响，同时利用 SSR 分子标记，通过不同的取样策略分析海拔梯度上独叶草的克隆多样性及克隆结构。其主要研究结果如下： （1）光斑出现频率高（SR：Sunfleck-enriched）的生境和光斑出现频率低（SL：Sunfleck-limited）的生境中，独叶草的光合参数都维持着较低的水平，表现出耐阴植物的光合特性。在SL生境中，独叶草表现出低的暗呼吸速率（Rds），低的光补偿点（LCPs）和低的光饱和点（LSPs），使独叶草在低的林下光环境中维持着正常的光合作用。但是，独叶草在低光照环境中，可以通过提高非光化学淬灭（NPQ）调节对光能的利用，而且其具有较高表观量子效率（α），可以高效利用林下的光斑。光合气体交换参数的动力学分析表明，连续高光照会通过独叶草的非气孔限制抑制独叶草的光合速率，而持续的低光照有利于通过独叶草的气孔导度提高光合速率。光斑中的UV-B辐射只是在辐射早期引起独叶草光合速率的降低，但辐射后期Pn都得到恢复，说明光斑中的UV-B辐射是引起独叶草光合抑制及Pn下降的潜在因子。另外人工模拟光斑实验表明，独叶草的光诱导激活并不需要连续的光照辐射。这些光合生理结果表明，光斑是限制独叶草在林下小尺度的分布的重要因子。 （2）12个ISSR引物对4个独叶草种群108个个体进行扩增，共扩增出87条清晰明亮重复性好的条带，其中41条为多态性条带，平均多态条带比率（PPL） 达到47.13%。每个位点有效等位基因数目为1.151~1.246，多态性信息含量PIC为0.606~0.796。17对SSR引物共检测到60个等位基因（Na），每个SSR位点等位基因数变化范围为2~6个，平均为3.53个。有效等位基因数（Ne）变化幅度为1.008~3.620个，扩增片段长度范围为70~390bp。4个种群的观察杂合度（Ho）变化幅度为 0.093~0.154，期望杂合度（He）变化范围为 0.231~0.350。ISSR 和SSR标记的分析结果表明，两种标记都足以用于分析独叶草种群的遗传多样性。通过ISSR分子标记和SSR分子标记对太白山沿海拔梯度分布的4个独叶草种群（红桦坪种群HHP，刀背岭种群DBL，下板寺种群XBS，上板寺种群SBS）的遗传多样性和遗传结构的分析结果表明，独叶草的遗传多样性水平很低（ISSR：I=0.170，PPL=47.13%；SSR：I=0.187，He=0.332）。位于海拔2889m的XBS种群比其他海拔梯度种群的遗传多样性高，符合“L<M>H”的分布模式。基于两种分子标记的 Nei’s 基因多样性分析和分子方差分析（AMOVA）表明独叶草种群的遗传变异主要发生在各个种群间，小部分遗传变异存在于种群内（ISSR：26%；SSR：33%），种群的遗传分化程度很高（ISSR：ΦST=0.74，GST=0.737；SSR：ΦST=0.67， GST=0.792）。STRUCTURE结果分析表明，4个独叶草自然种群间存在明显的遗传结构。4个独叶草种群被划分为3组，而基于两种分子标记以Nei’s（1972）遗传距离的UPGMA聚类分析结果是，4个种群分为两个大组。 （3）太白山独叶草沿海拔梯度呈独立斑块状分布，通过SSR分子标记分析1m间隔机械取样的5个海拔梯度独叶草种群的克隆多样性表明：独叶草的克隆基因型比率（PD）和Simpson’s多样性指数分别为0.15和0.74，独叶草的克隆多样性在克隆物种中处于较低水平。相关性分析表明，随着海拔梯度的升高，独叶草的克隆多样性有一个明显的先增加后降低的趋势，并且独叶草的PD值在海拔2889m的XBS种群显著高于其他海拔梯度分布。克隆结构分析表明5个种群均由多克隆组成，且没有相同基因型。随着海拔梯度的升高或降低，其克隆性、克隆面积不断增大，最大的两个克隆分别出现在HHP和SBS种群，分别长达7m和7.1m，说明独叶草具有较强的克隆能力。7个1m×1m样方中，除HHP样方和SBS样方为单克隆组成，其他均为多克隆。独叶草的基株分布主要为团状分布模式，也有少数离散状分布，表现出混合镶嵌的模式，与海拔梯度因子没有直接相关性，推断独叶草的生长模式可能并不属于严格的游击型策略。XBS的SR样方中的分株数量显著低于SL样方中的分株数量，基株水平呈现出离散状分布，从侧面说明独叶草的小尺度分布成因，林下的光斑环境对其分布起着决定性作用。Mantel 检测和空间自相关分析都表明，独叶草在小尺度范围内存在明显的克隆空间遗传结构。
独叶草;海拔梯度;小尺度分布;克隆结构;遗传多样性
西北大学
博士
植物学
岳明
2018
中文
Q943.2
2019-01-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）