姚俊修 李火根 邊黎明 施季森
(林木遺傳與生物技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京林業(yè)大學(xué)),南京,210037)
交配系統(tǒng)是影響群體遺傳結(jié)構(gòu)的主要因素[1]。異交是維持種內(nèi)遺傳變異的一個(gè)重要機(jī)制[2-3];而近交則降低種內(nèi)遺傳變異,導(dǎo)致后代群體的遺傳組成趨于純合、遺傳性狀穩(wěn)定,并使隱性基因得以表現(xiàn)而被淘汰[4-7]。近交導(dǎo)致子代適合度下降,如種子數(shù)量和質(zhì)量下降、個(gè)體的生長(zhǎng)發(fā)育不良等,呈現(xiàn)不同程度的近交衰退[8-10]。近交衰退是植物交配系統(tǒng)進(jìn)化的主要選擇壓力之一,植物或者適應(yīng)近交,或者通過(guò)形成避免發(fā)生近交機(jī)制來(lái)防止近交衰退[3]。
木蘭科(Magnoliaceae)鵝掌楸屬(Liriodendron)樹(shù)種為珍貴用材與園林觀賞兼用樹(shù)種,現(xiàn)僅存2 個(gè)種,即鵝掌楸(L. chinense Sarg.)和北美鵝掌楸(L.tulipifera Linn.),前者主要分布于我國(guó)長(zhǎng)江以南及越南北部,后者分布于美國(guó)東部和加拿大東南部。由于自然與人為原因,導(dǎo)致鵝掌楸天然種群個(gè)體數(shù)目日益減少,種群間成島狀星散分布,彼此隔離,已列為我國(guó)二級(jí)瀕危保護(hù)樹(shù)種[11-12]。與大多數(shù)林木相似,自然情況下,鵝掌楸屬樹(shù)種以異交為主。近交物種遺傳組成高度雜合,但同時(shí)也蘊(yùn)含了較高的遺傳負(fù)荷。隨著鵝掌楸種群數(shù)目逐漸減少,種群內(nèi)近交機(jī)率大大增加,勢(shì)必增加有害基因純合的概率,從而使鵝掌楸發(fā)生近交衰退,加劇其瀕危程度。為分析鵝掌楸近交衰退表現(xiàn),筆者擬利用交配設(shè)計(jì),采用人工雜交獲得不同交配類型組合子代(包括種間雜交、種內(nèi)雜交、回交及自交),通過(guò)比較不同交配類型子代的種子飽滿度、出苗率、苗期生長(zhǎng)量,以及SSR 純合子比率等信息,從表型與基因型兩方面分析鵝掌楸近交衰退狀況,期望為鵝掌楸物種保護(hù)、雜交育種及種子園管理等方面提供參考。
鵝掌楸交配親本來(lái)自南京林業(yè)大學(xué)下蜀實(shí)習(xí)林場(chǎng),其中,4 株鵝掌楸(編號(hào):LS,WYS,F(xiàn)Y 和SZ)、4株北美鵝掌楸(編號(hào):MSL,BM,LYS 和NK)雜交親本來(lái)自1993年定植的鵝掌楸種源試驗(yàn)林,該試驗(yàn)林具體情況可參考文獻(xiàn)[13]。另一交配親本雜交鵝掌楸(F1)選自1978年定植于該林場(chǎng)的雜種子代測(cè)定林,其母本為鵝掌楸,來(lái)自江西廬山;父本為定植于南京明孝陵的1 株北美鵝掌楸,20 世紀(jì)30年代引自美國(guó)。2007年5月,分別對(duì)這9 個(gè)雜交親本用毛竹搭架,開(kāi)展人工雜交試驗(yàn),共26 個(gè)交配組合,其中,回交組合15 個(gè),F(xiàn)1為母本有7 個(gè)組合:F1×LS、F1×MSL、F1×BM、F1×WYS、F1×LYS、F1×NK、F1×FY;F1為父本有8 個(gè)組合:LS×F1、MSL×F1、BM×F1、WYS×F1、LYS×F1、NK×F1、FY×F1、SZ×F1;種間交配組合4 個(gè):LS×NK、LYS×LS、WYS×BM、BM×FY;種內(nèi)交配組合4 個(gè):LYS×MSL、BM×MSL、BM×NK、LYS×NK;自交組合3 個(gè):SY×SY、MSL×MSL、LYS×LYS。
2007年10月采集上述交配組合種子,2008年3月播種于南京橋林林業(yè)科技有限公司苗圃,同年9月采集上述各組合子代幼苗葉片,每家系隨機(jī)采取30 個(gè)個(gè)體(不足30 的全部取樣),每個(gè)體采集新鮮葉片2 ~4 片,放入冰箱中-70 ℃保存?zhèn)溆谩?009年3月,對(duì)各交配組合子代在同一苗圃進(jìn)行苗期試驗(yàn),2009年12月,獲得15 個(gè)回交組合(7 個(gè)正交組合,8個(gè)反交組合),其中,一個(gè)自交組合MSL 獲得子代數(shù)目較少,僅有8 株。共采集各類交配組合子代樣本610 株。
為了檢測(cè)近交組合子代的飽滿度與出苗率,2008年5月開(kāi)展第2 批雜交。選取2 株鵝掌楸(LS、WYS)及2 株北美鵝掌楸(MSL、BM)作母本,以LS、FY、SZ、F1、LYS、BM、WYS、MSL、NK 為父本,開(kāi)展如表1的交配設(shè)計(jì),于同年10月采集上述交配設(shè)計(jì)種子,12月在國(guó)家林業(yè)局南方林木種子檢驗(yàn)中心測(cè)定種子飽滿度,2009年3月在南京橋林林業(yè)科技有限公司苗圃進(jìn)行場(chǎng)圃發(fā)芽率測(cè)定。
表1 鵝掌楸不同交配組合設(shè)計(jì)
1.2.1 種子飽滿度及出苗率測(cè)定
對(duì)表1中27 個(gè)不同交配組合子代種子應(yīng)用X射線攝影檢驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行飽滿度檢驗(yàn),每組合每處理含100 粒種子,4 次重復(fù),根據(jù)種子有無(wú)胚的影像進(jìn)行飽滿度的判斷,統(tǒng)計(jì)飽滿種子數(shù)。種子出苗率往往以發(fā)芽勢(shì)為判斷指標(biāo),指種子發(fā)芽初期在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能正常發(fā)芽的種子粒數(shù)占供檢種子粒數(shù)的比例[14]。利用上述所得種子同時(shí)在相同立地條件下進(jìn)行場(chǎng)圃出苗率測(cè)定。
1.2.2 苗期生長(zhǎng)量測(cè)定
2009年12月,測(cè)量不同交配組合子代各單株的苗高(H)、地徑(D),苗高和地徑均精確到0.01 cm,標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)計(jì)算公式如下:①標(biāo)準(zhǔn)差(S)=式中:xi指第i 個(gè)個(gè)體的觀察值,指樣本平均值,n指樣本數(shù);②變異系數(shù)c=(s/)×100%。
1.2.3 近交衰退估算
種子飽滿度、出苗率、苗期生長(zhǎng)量3 個(gè)性狀的近交衰退估算采用公式δ=1-Ws/Wo[15],式中,Ws、Wo分別表示近交子代與異交子代的適合度。適合度有相對(duì)適合度與絕對(duì)適合度2 種,相對(duì)適合度是指某群體相對(duì)于特定基因型群體對(duì)子代的貢獻(xiàn)率,通常以絕對(duì)適合度最高的基因型為參照[16]。
1.2.4 純合子比率、基因雜合度及固定指數(shù)分析
利用12 對(duì)實(shí)驗(yàn)室自行開(kāi)發(fā)的SSR 引物[17]對(duì)4株鵝掌楸及4 株北美鵝掌楸親本基因雜合度及不同交配組合類型(種間雜交、種內(nèi)雜交、回交、自交)子代進(jìn)行PCR 檢測(cè),統(tǒng)計(jì)每一親本及不同交配組合子代的純合子數(shù)量,計(jì)算純合子比率。其中雜合子比率(觀測(cè)雜合度Ho)與純合子比率之和為1。
固定指數(shù)F 是衡量配子間相關(guān)系數(shù)的指標(biāo),估算公式為F=1-H0/He[18],式中Ho指觀測(cè)雜合度,是實(shí)際觀察到的雜合基因型個(gè)體所占的比率;He指期望雜合度,指隨機(jī)交配情形下雜合子的期望頻率。
1.2.5 統(tǒng)計(jì)分析
方差分析采用統(tǒng)計(jì)軟件SAS6.12。
對(duì)鵝掌楸不同交配組合飽滿度及出苗率研究發(fā)現(xiàn):不同回交組合種子飽滿度變異較大,以F1×MSL最高,WYS×F1最低,二者相差13%。而相同親本的正反交組合飽滿度差異也較大,其中F1×WYS 與WYS×F1相差最大,為8.5%?;亟恢姓?F1為母本)組合平均為15.75%,反交組合平均為13.4%??梢?jiàn),F(xiàn)1做母本種子飽滿度比F1做父本要大,平均高2. 35% 。而4 個(gè)自交組合種子飽滿度平均為3.88%。對(duì)出苗率分析發(fā)現(xiàn):回交組合中MSL×F1出苗率最高,為10%,WYS×F1與F1×BM 出苗率均最低,為1.5%,二者相差8.5%。而相同親本的正反交組合出苗率差異也較大,F(xiàn)1×WYS 與WYS×F1相差最大,為2.75%;正反交組合種子出苗率變異不大,正交組合平均為4.44%,反交組合平均為4.17%,二者僅相差0.27%;而4 個(gè)自交組合種子出苗率平均僅為0.25%。綜上可見(jiàn),近交造成子代飽滿度及出苗率衰退嚴(yán)重,而種子飽滿度及出苗率則與父母本基因型有關(guān)。
表2列出了鵝掌楸不同交配類型子代種子飽滿度、出苗率及其標(biāo)準(zhǔn)差比較結(jié)果表明,種內(nèi)交配子代種子飽滿度與出苗率均最高,分別為27.54%、9.29%,飽滿度高出種間雜交、回交、自交子代的33.30%、89.02%、610. 00%;而出苗率則高出80. 04%、116.00%、3 616.00%;不同交配類型子代種子飽滿度與出苗率變異趨勢(shì)是一致的,即:種內(nèi)>種間>回交>自交。
表2 鵝掌楸不同交配類型種子飽滿度與出苗率 %
表3列出了鵝掌楸不同交配類型間及交配類型內(nèi)組合間種子飽滿度及出苗率方差分析結(jié)果,二者在重復(fù)間差異均不顯著,而在交配類型間及交配類型內(nèi)組合間二者差異均達(dá)到了極顯著水平。
表3 鵝掌楸不同交配類型種子飽滿度與出苗率方差分析結(jié)果
對(duì)鵝掌楸近交子代苗期生長(zhǎng)量研究發(fā)現(xiàn),各交配組合在地徑和苗高上均存在明顯差異。對(duì)于地徑生長(zhǎng):變異系數(shù)從LS×NK 的21.99%到BM×MSL 的60.87%,后者是前者的2.77 倍。在回交組合中,變異系數(shù)最大組合為BM×F1(58.77%),最小組合為L(zhǎng)S×F1(23.78%),前者是后者2.47 倍。正反交組合中除F1與LS 組合外,其余正反交組合中反交組合變異系數(shù)均大于正交組合,相差最大的正反交組合為F1×FY(26.53%)、FY×F1(40.91%),二者相差14.38%。對(duì)于苗高生長(zhǎng):變異系數(shù)從F1×MSL 的21. 00% 到BM×MSL的58. 22% ,后者是前者的2.77 倍。在回交組合中,變異系數(shù)最大組合為F1×NK(53.57%),最小組合為F1×MSL(21.00%),前者是后者2.55 倍。在正反交組合中,F(xiàn)1與LS、FY、MSL、LYS 回交組合中反交組合苗高變異系數(shù)高于正交組合,而F1與WYS、BM、NK 回交組合則相反(正交大于反交),相差最大的正反交組合為F1×FY(28.48%),F(xiàn)Y×F1(44.85%),二者相差16.37%;而自交組合地徑與苗高均值均低于回交組合,可見(jiàn)近交衰退嚴(yán)重。
表4列出了鵝掌楸不同交配類型子代苗期生長(zhǎng)量。由表4可看出,子代苗期生長(zhǎng)在不同交配類型間差異較大,地徑與苗高生長(zhǎng)量由大到小順序?yàn)?種間雜交、回交、種內(nèi)雜交、自交。
表4 鵝掌楸不同交配類型子代苗期生長(zhǎng)量比較
表5給出了不同交配類型子代苗期生長(zhǎng)量的方差分析結(jié)果。苗高與地徑在交配類型間差異極顯著,同時(shí),在交配類型內(nèi)組合間差異也達(dá)極顯著水平。
表5 鵝掌楸不同交配類型苗期生長(zhǎng)性狀方差分析結(jié)果
根據(jù)不同交配類型子代種子飽滿度及出苗率結(jié)果(表2),利用近交衰退估算公式可以得出,相對(duì)于種內(nèi)交配,回交、自交組合子代種子飽滿度近交衰退指數(shù)δ 分別為0.47、0.86;種子出苗率近交衰退指數(shù)δ 分別為0.54、0.97,近交組合平均飽滿度與出苗率衰退指數(shù)均高于種間交配組合子代,近交衰退明顯。值得注意的是,與種內(nèi)雜交組合子代相比,種間雜交組合子代在飽滿度與出苗率2 個(gè)表型上也有一定程度的降低,這可能是由于鵝掌楸2 個(gè)種由于長(zhǎng)期的地理隔離導(dǎo)致一定程度的生殖隔離,進(jìn)而在子代適合度上表現(xiàn)出較低水平的遠(yuǎn)交衰退。
根據(jù)不同交配組合苗期生長(zhǎng)量分析結(jié)果(表4),利用近交衰退估算公式可以得出,相對(duì)于種間雜交,種內(nèi)雜交、回交及自交組合子代平均地徑近交衰退指數(shù)δ 分別為0.48、0.16、0.49。平均苗高近交衰退指數(shù)δ 分別為0.32、0.27、0.35。自交組合平均地徑與苗高衰退指數(shù)大于種內(nèi)雜交子代,可見(jiàn)自交子代苗期生長(zhǎng)量近交衰退明顯。而回交組合子代地徑與苗高衰退指數(shù)小于種內(nèi)雜交子代,分析可能原因?yàn)楸狙芯恐械幕亟唤M合為三交種,并非真正意義上的回交,涉及2 個(gè)種之間的基因交流,而種內(nèi)交配組合僅為單個(gè)種之間的基因交流。
由不同交配類型子代固定指數(shù)(表6)可以看出,不同交配類型子代固定指數(shù)均小于0,表明雜合子過(guò)量。鵝掌楸是一個(gè)高度雜合樹(shù)種,具有蟲媒異交特性,使其保持了較高的雜合度,這可能是本研究中使自交子代雜合子偏多的原因,從而導(dǎo)致固定指數(shù)F<0。自交子代固定指數(shù)最高,為-0.136 5,種間雜交子代固定指數(shù)最低,為-0. 5558,二者相差0.419 3,不同交配類型子代含雜合子由高到低變異趨勢(shì)為:種間雜交、種內(nèi)雜交、回交、自交。
表6 鵝掌楸不同交配類型子代固定指數(shù)
對(duì)不同組合子代純合子比率研究發(fā)現(xiàn),不同組合子代純合子比率差異較大,最大為MSL 自交組合(7 9. 1 7% ),最小為種間交配WYS×BM,僅為10.83%,二者相差68.34%。而不同回交子代中純合子比率變異幅度也較大,F(xiàn)1×WYS 最大,為48.33%,F(xiàn)1×BM 最小,為17.50%,二者相差30.83%;而F1與鵝掌楸交配子代純合子比率較F1與北美鵝掌楸交配子代有明顯增大。正反交組合子代純合子比率并不完全一致,其中F1×LS 與LS×F1相差最大,為7.50%,F(xiàn)1×NK 與NK×F1相差最小,為1.12%。
從不同交配類型子代純合子比率可以看出,自交子代純合子比率均值最高,為78.77%,種間雜交子代純合子比率均值最低,為21.59%,二者相差57.18%,自交子代純合子比率均值分別高出種內(nèi)雜交、回交、種間雜交子代的1.04、1.35、2.65 倍;不同交配類型子代純合子比率均值由高到低變異趨勢(shì)為:自交、種內(nèi)雜交、回交、種間雜交。
表7 鵝掌楸不同交配類型子代的純合子比率 %
表8列出了鵝掌楸不同交配類型子代純合子比率的方差分析結(jié)果。在4 種交配類型間,各交配類型組合間以及不同位點(diǎn)間的純合子比率差異均達(dá)極顯著水平,說(shuō)明不同交配類型子代的純合子比率差異顯著。
表8 鵝掌楸不同交配類型子代純合子比率方差分析結(jié)果
通過(guò)對(duì)4 個(gè)鵝掌楸及4 個(gè)北美鵝掌楸親本在12 個(gè)不同位點(diǎn)觀測(cè)基因雜合度研究發(fā)現(xiàn):LYS、NK、MSL、BM、FY、WYS、SZ、LS 親本基因雜合度分別為58.33%、41.67%、33.33%、25.00%、25.00%、25.00%、25.00%、16.67%,據(jù)此推算4 個(gè)北美鵝掌楸親本(LYS、NK、MSL、BM)基因雜合度平均為39.58%;4 個(gè)鵝掌楸親本(FY、WYS、SZ、LS)基因雜合度平均為22.92%,北美鵝掌楸基因雜合度平均高出鵝掌楸16.7%。
近交衰退既可以從表型上檢測(cè),也可以從基因型水平來(lái)分析。植物近交衰退的表型檢測(cè)多采用與適合度有關(guān)的性狀,如開(kāi)花數(shù)量、結(jié)實(shí)率、種子大小、飽滿度、發(fā)芽率、生長(zhǎng)量(株高、胸徑及體積)等[19],也有采用生理生化指標(biāo)(如光合作用參數(shù))來(lái)檢測(cè)[20]。從基因型水平,一般采用基因組信息的電泳數(shù)據(jù)來(lái)間接測(cè)定[3],如用固定指數(shù)F 來(lái)度量近交程度。
度量近交衰退程度的參數(shù)主要有近交衰退系數(shù)δ、累計(jì)成活率Vi及致死當(dāng)量α 等。近交衰退系數(shù)δ實(shí)際為相對(duì)適合度,通常被定義為1 減去近交子代相對(duì)于異交子代的適合度,即:δ=1-Ws/Wo,該方法能夠較方便地測(cè)定種群的近交衰退,是目前最常用的度量近交衰退的參數(shù)[15]。累計(jì)成活率Vi利用種子出苗率(Vg)、苗期成活率(Vs)及胚的存活率(Ve種子數(shù)與初始胚的數(shù)量的比值)來(lái)度量近交衰退,即Vi=Ve×Vg×Vs[21],若異交子代總體均值顯著大于自交子代,則該群體近交衰退明顯。此外,近交衰退也可用純合致死等位基因的數(shù)量即致死當(dāng)量α 來(lái)度量,即α=-4lnR[22],其中R 表示自交子代相對(duì)于異交子代的相對(duì)適合度,致死當(dāng)量在不同物種及個(gè)體間變化很大,在農(nóng)作物及動(dòng)物間變化范圍分別為1.2 ~5.2,1.0 ~4.0,而在林木中致死當(dāng)量往往大于5.0,這可能與林木為高度異交物種,基因高度雜合,蘊(yùn)含了大量隱性不利基因有關(guān)。
在群體遺傳學(xué)研究中,基因雜合度是衡量群體遺傳變異的一個(gè)重要指標(biāo)[23],在個(gè)體數(shù)有限的小群體內(nèi),隨著世代繁育,勢(shì)必增加近交的幾率,導(dǎo)致群體基因雜合度下降,遺傳變異或遺傳多樣性降低,從而造成近交衰退的發(fā)生[24]。本研究對(duì)鵝掌楸(LS、FY、SZ、WYS)、北美鵝掌楸(LYS、MSL、BM、NK)親本在12 個(gè)不同位點(diǎn)的基因雜合度進(jìn)行了定量估算,發(fā)現(xiàn)北美鵝掌楸雜合度(3 9. 5 8% )高于鵝掌楸(22.92%),可能的解釋為,與鵝掌楸相比,北美鵝掌楸種群規(guī)模大、分布范圍廣、近交幾率相對(duì)較低。本研究結(jié)果僅對(duì)來(lái)自鵝掌楸、北美鵝掌楸各4 個(gè)親本進(jìn)行比較分析,數(shù)量偏少。因此,下一步筆者將增加親本及交配組合子代數(shù)量,對(duì)此作進(jìn)一步驗(yàn)證。
在現(xiàn)存的鵝掌楸種群中,大部分個(gè)體數(shù)量很少。賀善安等在對(duì)長(zhǎng)江流域以南亞熱帶廣袤地域內(nèi)84個(gè)鵝掌楸分布點(diǎn)研究發(fā)現(xiàn),個(gè)體數(shù)在1 ~20 株的分布點(diǎn)有60 個(gè),百株以上的分布點(diǎn)僅5 個(gè)[25]。從鵝掌楸天然分布(呈島狀星散分布)形式來(lái)看,鵝掌楸正處在被分割、隔離及孤立的狀態(tài),其基因交流會(huì)進(jìn)一步受到阻礙,遺傳多樣性也會(huì)進(jìn)一步降低;天然群體的更新能力也較差,整個(gè)物種處于瀕危狀態(tài)。另有研究發(fā)現(xiàn),鵝掌楸天然群體種子發(fā)芽率極低,一般都在5%以下,有的甚至不到1%,造成這種情況的直接原因可能與種群規(guī)模過(guò)小,授粉條件差有關(guān)[26]24。從遺傳學(xué)的角度看,小種群間基因交流受阻勢(shì)必會(huì)造成種內(nèi)近交的發(fā)生從而出現(xiàn)近交衰退現(xiàn)象。本研究發(fā)現(xiàn)自交子代出苗率平均為0.25%;近交衰退指數(shù)δ 為0.97,這意味著自交子代適合度接近于0,可見(jiàn)近交衰退嚴(yán)重。研究還發(fā)現(xiàn)種間交配組合子代飽滿度與出苗率均低于種內(nèi)組合,原因可能是種間組合親本間存在生殖隔離而使其雜交親和度下降所致;而對(duì)苗期生長(zhǎng)量的研究發(fā)現(xiàn),近交子代(回交)近交衰退表現(xiàn)不明顯,這可能與試驗(yàn)期短有關(guān),也可能是由于自然選擇的作用使有害基因淘汰的結(jié)果[27],即自然選擇的作用有利于保存那些使生物有較強(qiáng)適應(yīng)能力的基因。
對(duì)于現(xiàn)有的鵝掌楸天然群體,當(dāng)前急需采取措施避免現(xiàn)有種群發(fā)生嚴(yán)重的近交衰退。如禁止盜伐,防止其種群規(guī)模進(jìn)一步縮小;同時(shí),可考慮引入新的種質(zhì),擴(kuò)大種群規(guī)模,促使種群間基因交流與重組[26]24-25;也可在母樹(shù)樹(shù)冠下方或周圍,在種子散落前進(jìn)行局部雜灌清理,以促進(jìn)鵝掌楸自然更新?;蛘卟捎眠w地保護(hù)措施,有計(jì)劃地在天然群體中采集優(yōu)良單株的穗條進(jìn)行嫁接,建立種質(zhì)資源庫(kù)。
此外,基于鵝掌楸近交衰退嚴(yán)重,因此,在鵝掌楸雜交育種及雜種優(yōu)勢(shì)利用時(shí),應(yīng)盡可能避免利用F1代的回交子代。
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