內(nèi)蒙古荒漠草原植物遺傳多樣性對模擬增溫處理的響應(yīng)

曹 路,李春瑞,田青松,杜建材,王忠武,韓 冰,*

1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所,呼和浩特 010018 2 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,呼和浩特 010018 3 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院, 呼和浩特 010018

內(nèi)蒙古荒漠草原植物遺傳多樣性對模擬增溫處理的響應(yīng)

曹 路1,2,李春瑞1,2,田青松1,杜建材1,王忠武3,韓 冰1,2,*

1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所,呼和浩特 010018 2 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,呼和浩特 010018 3 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院, 呼和浩特 010018

為探究全球變暖對溫帶荒漠草原地上種群的遺傳影響,對已經(jīng)接受模擬增溫處理6年的短花針茅草原4種不同生活型植物,即半灌木、多年生禾草、多年生雜類草和一年生植物,應(yīng)用AFLP分子標(biāo)記方法研究了其遺傳多樣性和遺傳結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示,對照處理與增溫處理下的木地膚、短花針茅、細(xì)葉蔥、豬毛菜4種植物的多態(tài)位點(diǎn)百分率(PPB)分別為11.32%,11.32%；40.83%,39.91%；14.29%,13.10%；19.85%,19.12%。Nei′s基因多樣性指數(shù)(He)分別為0.0274,0.0259；0.0812,0.0899；0.0131,0.0084；0.0506,0.0456。Shannon′s 信息指數(shù)值(I)分別為0.0447,0.0430；0.1354,0.1466；0.0267,0.0182；0.0811,0.0733。分子方差分析(AMOVA)顯示4種植物的變異主要來源于實(shí)驗(yàn)處理內(nèi)部,木地膚為85.03%,短花針茅為66.35%,細(xì)葉蔥為70.00%,豬毛菜為66.52%；增溫處理間的變異分別占-2.81%,-5.47%,-3.60%,2.53%(P>0.05)。4種植物增溫處理與變異程度之間在統(tǒng)計(jì)學(xué)上并無相關(guān)性。研究表明雖然短時(shí)間的模擬增溫并不足以使4種生活型植物種群遺傳多樣性和遺傳結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化,但相對于3種多年生植物,一年生植物豬毛菜更容易受到增溫影響。多年生和一年生植物對增溫具有不同的遺傳響應(yīng)。

木地膚；短花針茅；細(xì)葉蔥；豬毛菜；遺傳多樣性；擴(kuò)增片段長度多態(tài)性(AFLP)；模擬增溫

氣候是決定地球上植被類型及物種分布最主要的因素,而植被類型和物種分布是地球氣候最鮮明的反映和標(biāo)志。目前,人們普遍認(rèn)同環(huán)境變化必然引起植物群落結(jié)構(gòu)和功能的改變,如果這種變化持續(xù)下去,影響將是深刻而持久的[1- 2]。已有的研究結(jié)果表明,增溫使發(fā)草(Deschampsiacaespitosa)、黑褐苔草(Carexalrofusca)、羊草(Leymuschinensis)的生物量有所增加；矮篙草草甸建群種和主要伴生種春季物候期提前,秋季物候期推遲；川西北高寒草甸植物發(fā)草(Deschampsiacaespitosa)的植物光合速率增加；而對植物氣孔導(dǎo)度變化沒有規(guī)律,葉片中鈉、鉀、磷的含量顯著下降[3- 4]。李英年[5]對矮嵩草(Kobresiahumilis)草甸的模擬增溫研究表明,短期增溫條件下群落的總生物量變化不明顯,增溫導(dǎo)致禾草生物量顯著增加,而雜類草生物量顯著減少。田云錄[6]利用開放式主動增溫系統(tǒng)模擬增溫使冬小麥(Triticumaestivum)地上生物量、產(chǎn)量、有效穗數(shù)和千粒重顯著提高。在賀剛[7]對煙苗的研究中,增溫增加了煙苗莖粗、葉片數(shù)、干物質(zhì)含量。而在模擬增溫條件下有關(guān)植物種群遺傳多樣性和遺傳結(jié)構(gòu)的研究還相對較少。

在全球氣候變化的背景下,中國的氣候與環(huán)境也發(fā)生了顯著變化[8]。近50年的觀測發(fā)現(xiàn),內(nèi)蒙古自治區(qū)的氣候也有明顯變暖的趨勢。根據(jù)馬瑞芳的研究[9],內(nèi)蒙古荒漠草原氣溫呈現(xiàn)波動式升高的規(guī)律,平均溫度從20世紀(jì)50年代的8.1℃增加到90年代的9.0℃。

為了更準(zhǔn)確地預(yù)測未來氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響,由國家自然科學(xué)基金委資助,在我國溫帶典型草原進(jìn)行了“全球變暖背景下白天和夜間增溫對溫帶草原群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)功能的特異性影響”的增溫實(shí)驗(yàn)。本研究所在的“內(nèi)蒙古農(nóng)牧科學(xué)院四子王旗實(shí)驗(yàn)基地”是設(shè)置在該增溫樣帶上荒漠草原的一個觀測站點(diǎn),地處內(nèi)蒙古烏蘭察布市四子王旗王府一隊(duì)。在模擬全球氣候變暖的條件下,以紅外線輻射器照射提高溫度為手段[10],在野外自然條件中進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)控制性增溫實(shí)驗(yàn)。經(jīng)測定經(jīng)過增溫處理1年后樣地內(nèi)的0cm,7.5cm,15cm,30cm 和 50cm 土壤平均溫度與不增溫樣地相比,平均增加了1.32℃,0.92℃,0.88℃,0.80℃,0.74℃[11]。目前在該實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)已經(jīng)取得了大量的實(shí)驗(yàn)成果,模擬增溫使荒漠草原上的短花針茅(Stipabreviflora)、冷蒿(Artemisiafrigida)、無芒隱子草(Cleistogenessongorica)、木地膚(Kochiaprostrata)、阿氏旋花(Convolvulusammannii)、細(xì)葉蔥(Alliumtenuissimum)春季返青提前,總物候持續(xù)天數(shù)延長[11]；但未能顯著促進(jìn)土壤呼吸[12]；沒有明顯改變植物群落的組成[13]；模擬增溫和氮素添加降低荒漠草原多年生植物氮素回收效率[14]。本研究選擇了4種生活型植物,分別屬于灌木、半灌木(Shrubs、halfshrubs)的木地膚、多年生禾草(Perennialgrasses)的短花針茅、多年生雜類草(Perennialforbs)的細(xì)葉蔥以及一、二年生植物(Annualsandbiennials)中的豬毛菜(Salsolacollina)。運(yùn)用擴(kuò)增片段長度多態(tài)性(amplified fragment length polymorphism,AFLP)方法,研究溫度增加對荒漠草原4種生活型植物種群結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性的影響,揭示從2006年5月3日開始增溫至2012年7月14日,上述4種植物種群遺傳多樣性對模擬增溫的響應(yīng)趨勢,為預(yù)測野生牧草的產(chǎn)量、品質(zhì)變化及維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性,探究荒漠草原不同生活型的野生牧草對環(huán)境變化的適應(yīng)潛能提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地概況及增溫設(shè)置

實(shí)驗(yàn)樣地設(shè)立在內(nèi)蒙古四子王旗境內(nèi)的“內(nèi)蒙古農(nóng)牧科學(xué)院四子王旗實(shí)驗(yàn)基地”。地理位置為東經(jīng)111°53′41 7",北緯41°46′43 6",海拔高度1456m,年均降水量約為248mm,年平均氣溫2—5℃,土壤為淡栗鈣土。該區(qū)是處于內(nèi)蒙古中部、陰山山脈以北烏蘭察布高原地區(qū)的荒漠草原,是內(nèi)蒙古草原的重要組成部分,也是草原區(qū)向荒漠區(qū)過渡的旱生性最強(qiáng)的草原生態(tài)系統(tǒng)。荒漠草原以其獨(dú)特的種類組成、結(jié)構(gòu)和功能,以及地理分布規(guī)律和獨(dú)特的自然景觀,成為亞洲中部的一種特殊的、十分重要的生態(tài)系統(tǒng)類型,具有強(qiáng)烈的大陸性特點(diǎn)?；哪菰遣菰凶詈瞪念愋?建群種由強(qiáng)旱生叢生禾草組成,經(jīng)常生有大量的強(qiáng)旱生的小半灌木、并在群落中形成穩(wěn)定的優(yōu)勢層片。試驗(yàn)區(qū)屬于以短花針茅為建群種的荒漠草原的地帶性植被,草地植物群落類型為短花針茅+冷篙+無芒隱子草,植被草層低矮,平均高度為8cm,且植被較稀疏,蓋度為12%—18%,種類組成較貧乏,植物群落主要由20多種植物組成,建群種為短花針茅,優(yōu)勢種為冷篙、無芒隱子草。研究區(qū)域內(nèi)植物類型劃分見表1。

該樣地在野外自然條件下進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)控制增溫實(shí)驗(yàn),設(shè)置增溫處理小區(qū)和對照處理小區(qū),每處理6次重復(fù),共12個小區(qū)。樣地內(nèi)增溫處理小區(qū)和對照小區(qū)為隨機(jī)分布,每個小區(qū)面積為3m×4m=12m2；在6個增溫小區(qū)內(nèi)各安裝一個紅外線輻射器(Infrared Radiator)進(jìn)行加熱,該裝置通過懸掛于樣地中央上方、可以散發(fā)紅外線輻射的燈管來實(shí)現(xiàn)模擬氣候變暖。紅外線輻射器由美國伯利恒Kalglo電子公司(Kalglo Electronics Bethlehem, PA,USA)生產(chǎn),在對照小區(qū)同樣安裝用于懸掛燈管的裝置,但不安裝燈管,用以消除增溫裝置對樣地內(nèi)植物生長環(huán)境的影響。從2006年5月3日開始加熱。樣地示意圖見圖1。

表1 樣地內(nèi)植物生活型功能群組成

圖1 樣地示意圖Fig.1 Schematic plots 灰色陰影小區(qū)(W1—W6)為增溫處理(Warming)小區(qū),白色小區(qū)(C1—C6)為空白對照(Control)小區(qū)

1.2 樣品采集與DNA提取

2012年7月,在植物生長旺盛期,分別采集增溫小區(qū)和對照小區(qū)的木地膚、短花針茅、細(xì)葉蔥、豬毛菜(因W6、C6小區(qū)中木地膚和豬毛菜數(shù)量極少,數(shù)據(jù)分析過程中予以剔除)。在每個小區(qū)每種植物分單株采樣,選擇健康無病斑的植物將嫩葉剪下,用無菌水沖洗干凈后置放于2ml凍存管中,立即投放在液氮罐中備用。具體采樣情況見表2。

采用CTAB法提取基因組DNA[15]。用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA完整性,用紫外分光光度計(jì)檢測DNA純度和濃度。條帶單一明亮,OD(A260/280)值在1.8—2.0之間,表明所提取的DNA純度高,可用于AFLP的操作。將DNA濃度稀釋至50ng/μL,于-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 PCR擴(kuò)增與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

AFLP擴(kuò)增參照Vos[16]等的方法。EcoR I和Mse I酶切后連接接頭,進(jìn)行預(yù)擴(kuò)增,反應(yīng)程序：94℃預(yù)變性3min; (94℃, 40s; 60℃, 40s; 72℃, 60s) ×35循環(huán)；72℃,10min。每種植物從32對選擇性擴(kuò)增引物中篩選出5對信號強(qiáng)度一致、條帶分布均勻、清晰并具有多態(tài)性的引物進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。擴(kuò)增產(chǎn)物用8%的聚丙烯酰胺凝膠電泳檢測。銀染后室溫干燥過夜,掃描圖像。AFLP條帶大小從100—1500 bp,按照電泳結(jié)果中,同一遷移率上條帶的有無進(jìn)行統(tǒng)計(jì),有條帶的記為“1”,無條帶的記為“0”,獲得01矩陣。

1.4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)AFLP獲得的01矩陣,分別利用POPGEN 1.31[17]軟件計(jì)算4種生活型植物處理間的位點(diǎn)數(shù),多態(tài)位點(diǎn)數(shù),多態(tài)位點(diǎn)百分率(PPB),Nei′s基因多樣性指數(shù)(He),Shannon′s信息指數(shù)(I),遺傳一致度和遺傳距離。利用NTSYS 2.1[18]軟件進(jìn)行非加權(quán)算術(shù)平均法(UPGMA)聚類。并利用Arlequin3.11[19]軟件進(jìn)行分子方差分析及等級剖分分析。

表2 4種生活型植物的采樣情況

2 結(jié)果與分析

2.1 遺傳多樣性分析

經(jīng)過POPGEN 1.32軟件的計(jì)算,木地膚5對引物擴(kuò)增出106個位點(diǎn),其中對照小區(qū)多態(tài)性位點(diǎn)12個,多態(tài)位點(diǎn)百分率11.32%；增溫小區(qū)多態(tài)性位點(diǎn)12個,多態(tài)位點(diǎn)百分率11.32%。短花針茅5對引物擴(kuò)增出218個位點(diǎn),其中對照小區(qū)多態(tài)性位點(diǎn)89個,多態(tài)位點(diǎn)比例40.83%；增溫小區(qū)多態(tài)性位點(diǎn)87個,多態(tài)位點(diǎn)百分率39.91%。細(xì)葉蔥5對引物擴(kuò)增出84個位點(diǎn),其中對照小區(qū)多態(tài)性位點(diǎn)12個,多態(tài)位點(diǎn)百分率14.29%；增溫小區(qū)多態(tài)性位點(diǎn)11個,多態(tài)位點(diǎn)百分率13.10%。豬毛菜5對引物擴(kuò)增出136個位點(diǎn),其中對照小區(qū)多態(tài)性位點(diǎn)27個,多態(tài)位點(diǎn)百分率19.85%；增溫小區(qū)多態(tài)性位點(diǎn)26個,多態(tài)位點(diǎn)百分率19.12%。Nei′s基因多樣性指數(shù)與Shannon′s 信息指數(shù)普遍較低,4種植物對照與增溫處理下的Nei′s基因多樣性指數(shù)(He)分別為0.0274,0.0259(木地膚)；0.0812,0.0899(短花針茅)；0.0131,0.0084(細(xì)葉蔥)；0.0506,0.04569(豬毛菜)。Shannon′s 信息指數(shù)值(I)分別為0.0447,0.0430(木地膚)；0.1354,0.14669(短花針茅)；0.0267,0.0182(細(xì)葉蔥)；0.0811,0.07339(豬毛菜)。4種植物在增溫處理和對照間的遺傳差異較小(表3)。增溫處理并未對其遺傳多樣性產(chǎn)生明顯影響。

2.2 遺傳分化

遺傳一致度和遺傳距離代表了不同處理間的植物的親緣關(guān)系。遺傳一致度越大、遺傳距離越小,則親緣關(guān)系較近。由表4可見木地膚、短花針茅、細(xì)葉蔥和豬毛菜增溫與對照之間的的遺傳一致度分別為0.9999,0.9963,0.9994,0.9929；遺傳距離分別為0.0001,0.0037,0.0006,0.0071。其中豬毛菜的遺傳一致度最小為0.9929,遺傳距離最遠(yuǎn)為0.0071。

根據(jù)遺傳一致度,利用NTSYS 2.10軟件進(jìn)行非加權(quán)組平均法(unweighted pair-group method with arithmetic means, UPGMA)聚類。圖2為4種植物的不同小區(qū)間的聚類圖,其中木地膚增溫處理小區(qū)W4、W1、W3分別依次和對照小區(qū)的C5、C4、C3形成3個一級聚類,依次形成的二、三級及高級聚類都沒有將增溫和對照小區(qū)聚為大類；短花針茅雖然C1和C2、W1和W2、C3和C6這6個小區(qū)分別形成3個相同處理的一級聚類,但是在更高級的聚類中沒有相同規(guī)律；細(xì)葉蔥的C1和W4形成一級聚類,W2、W3和C3形成一級聚類,然后依次與C4、W6和C5形成二、三、四級聚類；豬毛菜W3和W5,C4和W4,W1和W2分別形成一級聚類,進(jìn)一步的聚類也沒有規(guī)律?？梢?種植物并沒有按照增溫與對照處理的聚為不同的兩支,聚類皆沒有規(guī)律可循。

表3 4種植物的遺傳多樣性分析

表 4 4種植物處理間的遺傳一致度和遺傳距離

圖2 4種生活型植物的UPGMA聚類圖Fig.2 Dendrogram by UPGMA analysis of four life forms plantsA： 木地膚10個小區(qū)的UPGMA聚類圖;B： 短花針茅12個小區(qū)的UPGMA聚類圖;C： 細(xì)葉蔥12個小區(qū)的UPGMA聚類圖;D： 豬毛菜10個小區(qū)的UPGMA聚類圖

2.3 分子方差分析

對4種植物進(jìn)行AMOVA分析,結(jié)果(表5)顯示4種植物的變異主要來源于種群內(nèi)。其中,木地膚種群內(nèi)變異最多85.03%,細(xì)葉蔥70.00%,豬毛菜次之66.52%,短花針茅最少66.35%。而4種植物來源于處理間的變異都較少分別為-2.81%(木地膚)、-5.47%(短花針茅)、-3.60%(細(xì)葉蔥)、2.53%(豬毛菜)。其中木地膚、短花針茅、細(xì)葉蔥的處理間的變異百分率都為負(fù)值,說明增溫處理與其變異并沒有相關(guān)性。而豬毛菜來源于處理間的變異占到了總變異的2.53%,雖然P值仍然大于0.05,但表明在模擬增溫處理6年之后發(fā)生了一定程度上的遺傳結(jié)構(gòu)的變化。豬毛菜作為一年生植物,表現(xiàn)出與其他生活型植物不同的響應(yīng)。

表5 4種植物的AMOVA分析

通過等級剖分(nested analysis of molecular variance)分析4種植物種群內(nèi)、處理內(nèi)種群間和處理間的遺傳分化系數(shù)(表6)。處理間的遺傳分化都較低,其中木地膚、短花針茅、細(xì)葉蔥都為負(fù)值(-0.02807、-0.05468、-0.03602),只有豬毛菜數(shù)為正值(0.02527)。說明木地膚、短花針茅、細(xì)葉蔥3種植物的遺傳分化與增溫處理之間并無相關(guān)性。而豬毛菜在增溫處理之下發(fā)生了一定程度遺傳變異。

表6 4種植物的遺傳分化系數(shù)

3 討論與結(jié)論

氣候預(yù)測顯示,未來我國氣溫仍將升高[3]。在野外自然條件下的生態(tài)系統(tǒng)增溫實(shí)驗(yàn)成為了研究全球變暖與陸地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵[20]。本研究所使用的紅外線輻射器(Infrared radiator)可以同時(shí)影響顯熱、潛熱和土壤熱通量[21],因而有效的模擬了全球變暖的情況。

在本研究中4種生活型植物木地膚、短花針茅、細(xì)葉蔥、豬毛菜的多態(tài)位點(diǎn)百分率分別為12.26%、41.28、14.29、20.59,Nei′s基因多樣性指數(shù)分別為0.0268、0.0863、0.0109、0.0522和Shannon′s 信息指數(shù)分別為0.0445、0.1428、0.0229、0.0834,都較低,遺傳多樣性并不豐富。對4種生活型植物的聚類圖分析也顯示增溫處理組與對照組并未聚為兩個類群。首先,這與樣地設(shè)置有關(guān),在以往有關(guān)遺傳多樣性的研究中大都是以不同品種或是地理間隔較遠(yuǎn)的植物為研究目標(biāo)[22- 24],如在對大針茅(Stipagrandis)[25]和克氏針茅(Stipakrylovii)[26]遺傳多樣性的研究中,研究者在同一地點(diǎn)不同樣本之間的采樣距離也會間隔50m以上,因?yàn)橐酝际茄芯孔匀环N群遺傳差異,由于研究目的不同,地理種群間距離較遠(yuǎn),種群間有較高的遺傳多樣性(克氏針茅Nei′s基因多樣性指數(shù)0. 2989,Shannon′s 信息指數(shù)0. 4014；大針茅Nei′s基因多樣性指數(shù)0.3486,Shannon′s 信息指數(shù)0.2314)而在本研究中12個小區(qū)間相隔只有3m,由于間隔近,不同小區(qū)間植物的遺傳背景較一致,有的不同小區(qū)內(nèi)的植株甚至可能來源于同一個母株的種子。這是種群間遺傳多樣性較低的直接原因。其次,由于增溫處理的時(shí)間有限,6a的時(shí)間很有可能并不足以使植物種群遺傳發(fā)生明顯分化。在模擬增溫對青藏高原草甸生態(tài)系統(tǒng)影響的研究中發(fā)現(xiàn)[27],在增溫實(shí)驗(yàn)的前兩年出現(xiàn)植物初級生產(chǎn)量大幅增加,生物多樣性增加的現(xiàn)象,而在實(shí)驗(yàn)的第3年之后初級生產(chǎn)量開始下降,并且生物多樣性也在降低。這說明在植物響應(yīng)模擬增溫的過程,其反應(yīng)隨處理時(shí)間的長短會產(chǎn)生不同的結(jié)果,推測短花針茅草原各種生活型植物在遺傳上對增溫的響應(yīng)還沒有出現(xiàn)。另外多年生植物在樣地內(nèi)并沒有適宜的條件允許實(shí)生苗建植,即使增溫處理使種子產(chǎn)生了某些變化,這些種子也未必能在小區(qū)內(nèi)形成植株,繼而無法被采集到相關(guān)遺傳改變的信息；而且多年生植物對這種溫和的增溫處理在新芽和新生葉片生長過程中可能未受到影響。

分子方差分析是1992年由Excoffier[19]發(fā)展出來的一種進(jìn)行遺傳變異等級剖分的方法,并提出了與F-statistics類似的PHI-statistics等方法來有效地度量亞群體的分化。在本研究中,4種生活型植物當(dāng)中的多年生植物處理間變異占總變異的百分率(Total variance)以及遺傳分化系數(shù)(PHI-statistics)都為負(fù)值。這種現(xiàn)象在張麗[28]對中華白蛉(Phlebotomuschinensis)的研究中也曾經(jīng)出現(xiàn)過,負(fù)值說明處理間不存在遺傳分化。而一年生植物豬毛菜則表現(xiàn)出了不同,其處理間的遺傳分化系數(shù)為0.0253,處理間的變異百分率也達(dá)到了2.53%,雖然P值仍然大于0.05,但表現(xiàn)出一定程度的遺傳分化趨勢。這4種生活型植物都是荒漠草原的典型植物,從形態(tài)結(jié)構(gòu)上來看,他們都具有典型的旱生結(jié)構(gòu),可以有效的反射陽光,控制水分的蒸發(fā)[29- 32]。以往的研究結(jié)果顯示一年生植物對增溫處理有較敏感的響應(yīng),常兆豐[33]對民勤荒漠區(qū)不同生活型植物響應(yīng)氣候變暖的研究中發(fā)現(xiàn),草本植物的春季物候和秋季物候響應(yīng)氣候變暖的敏感程度都大于灌木。在楊健[34]的研究中發(fā)現(xiàn),增溫處理對多年生植物加拿大一枝黃花(Hemerocalliscitrina)地下部分沒有影響,但趨于降低一年生植物鬼針草(Bidenspilosa)對根系生物量的分配。本研究中作為一年生植物的豬毛菜很可能是因?yàn)榫邆淞烁痰纳钪芷?才能夠在相同的時(shí)間內(nèi)較早的對模擬增溫作出了遺傳層面上的應(yīng)答。推測每次含有一些變異的種子飄落后都會在小區(qū)內(nèi)參與下一年群落的形成,因而增溫處理對其影響在每個世代(每年)中都有一些積累,雖然這種積累非常的微弱。這種變異在一定程度上反映了增溫對植物影響的趨勢。

而王迪[35]等認(rèn)為,當(dāng)植物遇到環(huán)境壓力時(shí),即使DNA序列水平上沒有發(fā)生變化,也會發(fā)生表觀遺傳學(xué)上的變化,這種變化一部分是可以遺傳的,一部分會因?yàn)閴毫Φ娜コ谕淮?xì)胞中發(fā)生回復(fù)。近年來表觀遺傳學(xué)已經(jīng)越來越受到關(guān)注[36]。和傳統(tǒng)意義上的遺傳學(xué)相比,所謂的表觀遺傳學(xué),就是不涉及DNA序列改變,然而最終可能影響表型變化的可遺傳的現(xiàn)象[37]。在作者其他的研究中發(fā)現(xiàn),短花針茅雖然在增溫處理與未增溫處理間DNA水平?jīng)]有發(fā)生改變,但是在轉(zhuǎn)錄組水平上發(fā)現(xiàn)了一些基因的差異表達(dá),表明增溫影響了基因的表達(dá),這其中不能否定有表觀遺傳學(xué)水平的變化,模擬增溫使表觀遺傳的修飾程度會發(fā)生改變。自然選擇是塑造和維持植物自然遺傳多樣性與種群遺傳結(jié)構(gòu)的主要動力[38]。隨著全球氣候變暖的趨勢,植物的種群[39]、群落[40- 41]、生態(tài)系統(tǒng)[42-45]乃至整個生物圈[46]必將發(fā)生巨大改變。而本研究發(fā)現(xiàn)不同的生活型植物面對這一變化產(chǎn)生不同的結(jié)果,一年生植物會容易受到增溫影響。隨著時(shí)間的推移,研究的深入,在之后的研究中將會加入對增溫去除組的關(guān)注,并進(jìn)行表觀遺傳學(xué)的研究,將對模擬增溫下不同生活型植物的適應(yīng)機(jī)制會有更加透徹的了解。

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The response of genetic diversity in desert steppe plants to simulated warming in Inner Mongolia, China

CAO Lu1,2,LI Chunrui1,2,TIAN Qingsong1,DU Jiancai1,WANG Zhongwu3,HAN Bing1,2,*

1InstituteofGrasslandResearch,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Hohhot010018,China2CollegeofLifeScience,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,China3CollegeofEcologyandEnvironmentalScience,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,China

Climate is the most important factor that determines vegetation types and the distribution of species, and, accordingly, these features are two of the most prominent indicators of climate change. Currently, scientists generally agree that climate change will inevitably lead to changes in plant community structure and function, and if this change continues, the effects will be profound and enduring. Existing research shows that simulated warming causes an increase in biomass inDeschampsiacaespitosa,Carexalrofusca, andLeymuschinensis; as climates change, these constructive species and their main companion species within aKobresiahumilismeadow have experienced an advancement in their spring phenology and a delay in their autumn phenophase. In addition, the photosynthetic rate ofDeschampsiacaespitosain a Northwest Sichuan alpine meadow has increased. Although the change in stomatal conductance was irregular, a significant decrease has also been observed in the sodium, potassium, and phosphorus content of leaves. However, relatively little research has been conducted on the effects of simulated warming on the genetic structure and diversity of plant populations. Against the background of global climate change, the temperatures of the Inner Mongolian desert steppe have become unevenly elevated, with average annual temperatures increasing from 8.1℃ in the 1950s to 9.0℃ in the 1990s. The present study explores the effects of global warming on the genetics of wild forage plant populations with different life forms in desert steppe habitat, in an effort to elucidate their potential to adapt to environmental change. The study site was located in the desert steppe in Siziwangqi territory of Inner Mongolia. Suspension infrared radiators were used to create a controlled warming experiment under otherwise natural field conditions. Warming began on May 3, 2006. The average soil temperature at depths of 0, 7.5, 15, 30, and 50 cm increased by 1.32, 0.92, 0.88, 0.80, and 0.74℃, respectively, after warming for 1 year compared with the average in plots not exposed to warming. For this study, changes in genetic diversity and structure were analyzed in four plant populations: (1) small half shrubs, represented byKochiaprostrata; (2) perennial grasses, represented byStipabreviflora; (3) perennial forbs, represented byAlliumtenuissimum; and (4) annuals and biennials, represented bySalsolacollina). The study was conducted under simulated warming pressure and genetic analysis was performed using amplified fragment length polymorphism. The percentages of polymorphic loci inK.prostrata,S.breviflora,A.tenuissimum, andS.collinaunder non-warming were 11.32%, 40.83%, 14.29%, and 19.85%, whereas those under simulated warming were 11.32%, 39.91%, 13.10%, and 19.12%, respectively. The genetic diversity of the four populations measured under control and simulated warming, measured by the Shannon′s information index, were as follows:K.prostrata(0.0274, 0.0259),S.breviflora(0.0812, 0.0899),Alliumtenuissimum(0.0131, 0.0084), andS.collina(0.0506, 0.0456). These findings exhibited the same distributional pattern as that of Nei′s genetic diversity index forK.prostrata(0.0447, 0.0430),S.breviflora(0.1354, 0.1466),Alliumtenuissimum(0.0267, 0.0182), andS.collina(0.0811, 0.0733). Cluster analysis of these four species showed that known of the species reacted significantly to the warming process, and that inter-individual clusters were not significantly different. The results of an analysis of molecular variance (AMOVA) indicated that the main source of variation among the four life form populations was within-population variation:K.prostrata(85.03%),S.breviflora(66.35%),A.tenuissimum(70.00%), andS.collina(66.52%). The among-groups variation was not significant and accounted for the following percentages of variation:K.prostrata(-2.81%),S.breviflora(-5.47%),Alliumtenuissimum(-3.60%), andS.collina(2.53%). No statistically significant correlation was found between simulated warming and genetic differentiation. This study shows that a short period of simulated warming was not sufficient to create a significant change in genetic diversity and structure for the four life form populations studied here; however, compared with the three types of perennials studied, the annual plantS.collina, is more susceptible to the effects of warming. Perennials and annuals have different genetic responses to warming. This study provides experimental evidence that can reveal the potential adaptation of plants to environmental change for different life forms of wild forage plants of the desert steppe, and will help researchers to predict forage yield and changes in forage quality.

Kochiaprostrata;Stipabreviflora;Alliumtenuissimum;Salsolacollina; genetic diversity; AFLP; simulated warming

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015MS0305)；中國科學(xué)院西部之光“人才培養(yǎng)”項(xiàng)目；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所科技創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目

2015- 04- 22;

日期:2016- 03- 03

10.5846/stxb201504220826

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hb_nmg@163.com

曹路,李春瑞,田青松,杜建材,王忠武,韓冰.內(nèi)蒙古荒漠草原植物遺傳多樣性對模擬增溫處理的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(21):6909- 6918.

Cao L,Li C R,Tian Q S,Du J C,Wang Z W,Han B.The response of genetic diversity in desert steppe plants to simulated warming in Inner Mongolia, China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(21):6909- 6918.