植物核DNA含量在全球尺度上的緯度變異式樣及其氣候適應意義
——以菊科植物為例

解 夢,于 晶,郭水良

上海師范大學生命與環(huán)境科學學院, 上海 200234

DNA C-值指的是一個物種配子核中沒有復制時的DNA 含量,一個物種的單個染色體組的DNA含量稱為基因組大小[1]。一個物種的基因組大小等于其DNA C-值除于其倍性水平。傳統(tǒng)的觀點認為,DNA C-值(或基因組大小)具有物種的特異性,對于物種來講是高度恒定的,C代表恒定的意思[2]。隨著工作的深入,植物核DNA含量不僅在種間存在著巨大的差異,而且親緣關(guān)系近的種類間也存在著巨大的差異[3],并且呈現(xiàn)出分類學、生物地理學、生態(tài)適應上的意義[4]。Bennett等發(fā)現(xiàn),一些重要的世界性雜草的基因組要比其它植物的小,惡性雜草的基因組要比一般性雜草的小[3]；郭水良等對中國境內(nèi)被子植物DNA C-值的統(tǒng)計和測定發(fā)現(xiàn),具有入侵性的植物的DNA C-值往往小于親緣關(guān)系相近的非入侵性植物[5- 6]。比利時菊科的Centaurea屬植物 DNA C-值與海拔高度存在正相關(guān)關(guān)系；部分分類群中,植物核DNA含量隨著緯度、經(jīng)度、海拔,以及氣溫雨量差異呈現(xiàn)有規(guī)律的變化,這可能是DNA 對氣候條件適應的結(jié)果[7]。核DNA含量種間差異,被認為是生態(tài)位分化的重要原因。例如與鳥類相比,兩棲類不同物種間的 C 值相差更大,這與兩棲類動物生活環(huán)境具有極大多變化性有關(guān)。同樣,高等植物分類群間極大的核DNA含量差異,也和高等植物生境高度多樣化有關(guān)[8]。

但是,關(guān)于核DNA含量與地理和氣候因素關(guān)系的結(jié)論并不一致。早期研究表明核DNA含量與緯度呈正相關(guān)[9]；但是Grime和Mowforth發(fā)現(xiàn)英國植物區(qū)系中169種植物的DNA C-值和緯度之間存在負相關(guān)[10]；Razafinarivo等發(fā)現(xiàn),咖啡樹的DNA C-值在馬達加斯加由北向東南、在非洲大陸由東向西均呈增加趨勢[11]; Bottini發(fā)現(xiàn),小檗屬植物(Berberis)二倍物種中,核DNA含量小的類群傾向于分布在降雨大、但是水分可利用性低的高海拔地區(qū),而核DNA含量高的類群則傾向于分布在營養(yǎng)生長期較長、水份可利用性高的中海拔森林區(qū)域[12]。也有其他的一些研究發(fā)現(xiàn)核DNA含量與環(huán)境之間沒有什么相關(guān)性[13-14]。

在大多數(shù)早期文獻中,核DNA含量與緯度(或海拔)的關(guān)系被描述成線性關(guān)系。但是,Knight和Ackerly通過分位數(shù)回歸分析發(fā)現(xiàn),加州植物區(qū)系中,DNA 2C-值大的物種在7月極端高溫過高或過低地區(qū)的分布頻度均下降,因此,他們推測核DNA含量與環(huán)境因素之間可能存在著非線性關(guān)系[15]。李丹丹等發(fā)現(xiàn),中國熱帶到溫帶廣大區(qū)域內(nèi)稗草(Echinochloacrus-galli)種群的核DNA含量與經(jīng)度、緯度和10個生物因素均存在明顯的非線性關(guān)系,大多數(shù)情況下均能夠用單峰函數(shù)進行擬合[16]。Rayburn和Auger發(fā)現(xiàn)具有最高核DNA含量的玉米種群傾向分布于中海拔的環(huán)境中,隨著向高或低海拔變化,玉米的核DNA含量呈現(xiàn)下降趨勢[17]。取樣范圍過窄,會影響到人們對核DNA含量與緯度、氣候因素關(guān)系的正確認識[16]。但是,核DNA含量與環(huán)境因素之間的這種非線性關(guān)系是否普通？全球范圍內(nèi)、在更廣的分類群中核DNA含量與地理和氣候因素之間的關(guān)系如何,有待進一步研究。

綜合先前有關(guān)核DNA含量與環(huán)境因子之間關(guān)系的報道發(fā)現(xiàn),早期的工作多數(shù)僅涉及個別分類群,或取樣范圍過窄,這可能會影響人們對核DNA含量與環(huán)境因子關(guān)系的正確認識。菊科是世界性分布的被子植物最大科,該科植物有不少種類已經(jīng)有核DNA數(shù)據(jù)和比較詳細的地理分布。本文的目的是,以菊科植物為材料,通過核DNA含量在全球范圍內(nèi)變化式樣分析,了解大的空間尺度上植物核DNA含量是否存在有規(guī)律的非線性的地理梯度變化,以及這種變化是否具有環(huán)境適應意義。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

(1)核DNA含量的數(shù)據(jù)來源

菊科核DNA含量數(shù)據(jù)來自于被子植物DNA C-值數(shù)據(jù)庫[18]?；蚪M大小是DNA 2C-值除于倍性水平[3]。在菊科植物中有822種檢索到了DNA 1C-值數(shù)據(jù),有400種已有倍性信息,計算到得了基因組大小。

(2)為定量分析經(jīng)緯度及氣候因素對菊科植物核DNA含量的影響,在經(jīng)度方向上分成10條樣帶,每條樣帶橫跨15度,分別為樣帶1至10分別為90°—75°W、75°—60°W、60°—45°W、0°—15°E、15°—30°E、30°—45° E、75°—90°E、90°—105°E、105°—120°E和120°—135°E；其中,第1、2、3樣帶南北方向上涵蓋了北美和南美洲,第4、5、6樣帶涵蓋了歐洲和非洲,第7、8、9和10樣帶涵蓋亞洲和大洋洲。對每條樣帶,再從82.5°N到82.5°S的范圍內(nèi)均分成22個樣塊,每樣塊在緯度梯度上的區(qū)間為7.5度(圖1)。10條樣帶共分成面積一致的220個樣塊。

圖1 10條樣帶位置Fig.1 Location of ten transects

(3)物種地理分布數(shù)據(jù)來源

822種菊科植物在上述220個樣塊中有無分布的數(shù)據(jù)來自于全球生物多樣性信息網(wǎng)站(www.gbif.org)。

(4)生物氣候數(shù)據(jù)來源

10個樣帶中,第5樣帶數(shù)據(jù)量豐富,隨著緯度菊科植物的DNA C-值呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。以第五樣帶為對象,進一步分析氣候因素對核DNA含量的影響。首先從世界氣候數(shù)據(jù)網(wǎng)站下載1950—2000年時間段的14個氣象數(shù)據(jù)( http://www.worldclim.org,表1),數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 arc- seconds,即每一柵格大致相當于0.86 km2,再應用ArcGIS 9.3獲得以上氣候數(shù)據(jù)在第5樣帶每樣塊中的平均值。

表1 14個氣候因子

1.2 統(tǒng)計分析

首先獲得每一個樣塊中出現(xiàn)的有核DNA含量數(shù)據(jù)的菊科植物種類,對出現(xiàn)5種以上植物的樣塊進行統(tǒng)計分析,計算每個樣塊菊科植物平均的DNA 1C-值、基因組大小及其標準誤。

以第5樣帶上每個樣塊平均的生物氣候因子值為自變量(x),以DNA C-值為因變量(y),應用EXCEL作散點圖,發(fā)現(xiàn)DNA C-值和緯度,以及和大多數(shù)氣候因子呈現(xiàn)非線性關(guān)系。進一步計算14個氣候因子之間的Pearson相關(guān)系數(shù),發(fā)現(xiàn)部分氣候因子之間有很高的相關(guān)性,暗示它們之間存在多重共線性(Multicollinearity)問題。由于氣候因子與DNA C-值之間是非線性關(guān)系,所以沒有采用常規(guī)的多元逐步線性回歸來篩選變量。為避免氣候因子之間的多重共線性對數(shù)據(jù)分析的影響,首先應用主成分分析對數(shù)據(jù)進行降維,篩選出前幾個主成分上載荷量最高的氣候因子,再以它們?yōu)閷ο?刪除與它們Person相關(guān)系數(shù)高的氣候因子,保留與它們相關(guān)系數(shù)在-0.7至0.7之間的氣候因子。應用XLSTAT軟件擬合DNA C-值與篩選出的氣候因子之間的關(guān)系,應用擬合效果最好的函數(shù)來反映氣候因子與DNA C-值之間的關(guān)系。為反映氣候因子對DNA C-值影響的程度,擬合前各氣候因子采用了極差標準化,使它們的變化范圍均處于0—1之間。

2 結(jié)果與分析

2.1 菊科植物核DNA含量的變異范圍

822種菊科植物最大的DNA 1C值為26.15 pg(Sececiopendulus),最小的為0.40 pg(Leontodonlongirostris),平均為4.11 pg；基因組最大的為8.5 pg,最小的為0.19 pg, 平均為2.23 pg。

2.2菊科核DNA含量在全球10個樣帶上的變異趨勢

菊科植物在10個樣帶上的核DNA含量變化分別見圖2。圖2顯示在赤道及附近樣塊中菊科植物核DNA含量有變小趨勢。隨著向南、向北緯度的增高,核DNA含量上升。除了第1條帶上的基因組數(shù)據(jù)外,其余樣帶上DNA 1C-值和基因組大小與緯度關(guān)系均能夠用多項式擬合,達到顯著或極顯著關(guān)系。在第一樣帶上,DNA 1C-值與緯度也符合兩次函數(shù)關(guān)系。

圖2的第1、2、5三個樣帶的少數(shù)樣塊,有基因組大小值高于DNA C-值的情況,這可能是樣本來源不同造成。即統(tǒng)計的DNA C-值的種類中,僅有部分有染色體倍性數(shù)據(jù),恰好這部分多數(shù)是二倍體,而且DNA C-值又比較大(基因組也大,因為對于二倍體植物來講,它們的基因組大小與DNA C-值數(shù)據(jù)是一致的)。

圖2 全球10條樣帶上菊科植物核DNA含量變化變異情況Fig.2 Variation of nuclear DNA content of Asteraceae species across ten global latitudinal transects

2.3 氣候因素對第5樣帶菊科DNA 1C-值的影響

對樣帶5上14個樣塊對應的14個氣候因子進行主成分分析。結(jié)果第1、2主成分的方差分別占總方差的58.9%和28.6%,累計達85.5%。因此選擇前二個主成分作進一步分析。14個氣候因子在前二個主成分上的載荷(表2)。

表2 第5樣帶上14個生物氣候因子在前兩個主成分上的信息負荷量

氣候因子1—14與表1中的相同

第一主成分主要反映了溫度因子(C1—7)信息,其中最冷季度平均溫度(Mean temp. of coldest quarter,7)具有最大的載荷。第二主成分主要反映了雨量因子(C8—C14)信息,其中最干季節(jié)雨量(C12)具有最大的載荷。首先選擇這兩個因子,再選擇其他因子,使參與擬合的因子間的相關(guān)系數(shù)處于-0.7至+0.7之間。最后篩選出了最冷季度平均溫度(C7)、最濕月份雨量(C9)和最干季度雨量(C12)3個氣候因子,進一步分析它們對菊科植物DNA C-值的影響。通過擬合發(fā)現(xiàn),二項式比線性關(guān)系能夠更好地描述這3個氣候因子與DNA C-值間的關(guān)系(圖3)。

圖3 3個生物氣候因子對第5樣帶上菊科植物DNA 1C值的影響Fig.3 Influences of three climatic factors on DNA 1C-values of Asteraceae on Section 5

為比較三個氣候因子對核DNA C-值影響的大小,進一步擬合DNA 1C-值與三個氣候因子間的非線性關(guān)系,得到如下函數(shù)：

式中:y為DNA 1C-值,x1、x2和x3分別為最冷季度平均溫度、最濕月份雨量和最干季度雨量。

圖4 3個生物氣候因子對第5樣帶上菊科植物DNA 1C值影響大小的比較Fig.4 Comparison of influences of three climatic factors on DNA 1C-values of Asteraceae on Section 5

最冷季度平均溫度、最濕月份雨量和最干季度雨量均顯著地影響到菊科核DNA C值的大小(圖3)。圖4在同一量綱上比較了第五樣帶上3個氣候因子變化對菊科DNA C-值變化的影響。計算圖4中對應于3個氣候因子變化形成的DNA C-值差異,發(fā)現(xiàn)變化的影響程度也不同(圖4),按3條曲線對應數(shù)值的極差和標準差,最冷季度平均溫度(Ra=0.75, Sd=0.24)對DNA C-值的影響最大,其次是最干季節(jié)的雨量(Ra=0.49,Sd=0.15),最濕月份雨量(Ra=0.40,Sd=0.13)的影響相對較小。就氣候因素來講,那些氣候條件適中的樣塊分布的菊科植物往往具有高的DNA 1C-值最高,隨著氣候條件向兩個極端變化,菊科植物DNA 1C-值呈現(xiàn)出有規(guī)律的下降趨勢,統(tǒng)計上絕大多數(shù)達到了極顯著的關(guān)系。

從以上結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在全球尺度上,植物核DNA含量與緯度、氣候因素之間存在顯著的非線性關(guān)系。

3 討論

有關(guān)核DNA含量影響植物的地理分布和生態(tài)適應能力已有不少報道。但是關(guān)于核DNA含量與緯度、海拔、氣候因素間的關(guān)系卻一直存在著爭議,有正相關(guān)、負相關(guān)或沒有相關(guān)的不同報道,且絕大多數(shù)將這種關(guān)系描述成簡單的線性關(guān)系。先前有關(guān)核DNA含量與地理、氣候因素之間關(guān)系的矛盾性報道,我們推測可能的原因是研究對象沒有相對一致的遺傳背景,或取樣范圍較窄有關(guān)。除了選樣和取材的不足之外,“對核DNA含量與地理氣候因素之間”過于簡單化地理解為僅是線性關(guān)系,進而影響到分析方法的選擇,故而得到了相互矛盾的結(jié)論,這也可能是原因之一。Knight和Ackerly認為核DNA含量與環(huán)境因子間的關(guān)系也可能是非線性的[15]。李丹丹等發(fā)現(xiàn),中國境的稗草36個地理種群的核DNA含量與經(jīng)度、緯度間均存在顯著的非線性關(guān)系,可以用單峰函數(shù)進行擬合。本文以整個菊科具有核DNA含量數(shù)據(jù)的種類為對象進行統(tǒng)計,在全球范圍這樣的空間尺度上也證實,植物的核DNA含量隨著緯度呈現(xiàn)出有規(guī)律的非線性變化[16]。

3個氣候因子中,最干季節(jié)雨量和最濕月份雨量與DNA C-值呈明顯的單峰曲線。隨著最冷季節(jié)平均溫度的增加,DNA C-值似有單調(diào)遞減的趨勢。但是用二項式函數(shù)擬合最冷季節(jié)平均溫度和DNA C-值關(guān)系的方程式,判定系數(shù)R2為0.638,預測值與實測值在0.001水平上顯著相關(guān)。但是如果用線性函數(shù)進行擬合,判定系數(shù)為0.562,擬合效果明顯差于非線性方法。因此,最冷季節(jié)平均溫度對DNA C-值的影響也明顯地有非線性特點,曲線呈現(xiàn)出單峰特點。

Levin和Funderburg對335種溫帶植物和67種熱帶植物的DNA 4C-值比較發(fā)現(xiàn),溫帶物種的平均4C-DNA值為27.06pg,而熱帶的平均僅為12.13pg,兩者差異極為顯著,但是他們認為熱帶植物比溫帶植物核DNA含量小的現(xiàn)象并不普遍[9]。他們認為核DNA含量在熱帶與溫帶種類之間的這種差異是由于生物類群發(fā)生過程中具有不同核DNA含量大小的類群的地理替代造成,而不是由于適應于環(huán)境變化而形成的,也即他們認為核DNA含量的變化并不具有氣候適應的意義。但是本文發(fā)現(xiàn)3個生物氣候因素顯著地影響到菊科植物DNA 1C-值,應用單峰函數(shù)能夠很好地解析生物氣候因素與核DNA含量之間的關(guān)系。李丹丹等也發(fā)現(xiàn),稗草核DNA含量的種下變化也極明顯地受氣候因素的影響。因此,核DNA含量這個指標具有明顯的生態(tài)適應意義[16]。

對10個樣帶上的菊科植物核DNA含量變化分析發(fā)現(xiàn),位于或接近赤道的樣塊,其上分布的菊科植物核DNA含量有下降的趨勢,這種現(xiàn)象在第2、5樣帶上比較明顯。Bennett也發(fā)現(xiàn)熱帶栽培的豆科和禾草類植物具有較小的基因組[19]。這種現(xiàn)象的原因可能與生態(tài)位寬窄有關(guān)。Stebbins認為,與溫帶性種類相比,熱帶地區(qū)的物種往往分布在較窄氣候變化范圍的環(huán)境中,從而要求更少的基因[20]。重復的結(jié)構(gòu)基因使得溫帶植物具有更寬的生態(tài)位,從而加大了核DNA含量。但是在趨向兩極的環(huán)境中,由于生長季節(jié)縮短,或者環(huán)境單一,使核DNA含量也有下隆趨勢。Vidic等也認為基因組大的植物并不適合于生長在極端環(huán)境中[21]。

單峰模型經(jīng)常用來解析生物分布與環(huán)境因子之間的關(guān)系[22]。一個從溫帶到熱帶的分布的物種往往有最適生長的地理區(qū)域和對應氣候條件,并有對應的形態(tài)性狀和核DNA含量。因此,核DNA含量與地理、氣候因素之間的關(guān)系理論上能夠用單峰模型擬合。核DNA含量又是如何影響植物的形態(tài)特征的？前人研究表明,核DNA含量小的植物,染色體、細胞核、細胞也均小,細胞分裂速率相對較高。核DNA含量小的植物生活史長更短、種子變大、幼苗生長速率變高[23-24],單位面積葉重增加,代謝速率提高[25]。核 DNA 既可以通過遺傳物質(zhì)的表達,也會通過核 DNA 本身的重量及體積的物理作用影響。顯然,細胞大小、體積、重量及發(fā)育速率跟非編碼的DNA含量變化有關(guān),說明他們在本質(zhì)上存在因果關(guān)系．而且細胞水平上的核型效應是可加成的,可擴展到對多細胞組織結(jié)構(gòu)的大小、重量、發(fā)育速率的影響?；蚪M大小與在細胞水平上的表型(如細胞大小,保衛(wèi)細胞長度,表皮細胞面積等)存在著較強正相關(guān)[26]。因此,核DNA含量的生態(tài)適應價值有理論上的基礎。

菊科植物是世界性大科,而且是一個相對自然的分類群,具有比較一致的遺傳和進化背景,而且本文又是在全球范圍的10個樣帶上進行的數(shù)據(jù)分析,結(jié)果有一定的普遍性。但是作為高度多樣化的植物類群,其他類群核DNA含量的地理變化式樣,以及與氣候因素間的關(guān)系,尚需要在更多類群中開展研究,以進一步明確本文發(fā)現(xiàn)的菊科植物核DNA含量地理變異規(guī)律及其與氣候因子之間的關(guān)系在整個高等植物中是否具有普遍性。另外,由于數(shù)據(jù)來源問題,本文主要分析了緯度梯度上菊科植物核DNA含量的變化及其可能的氣候因素。對于核DNA含量在全球范圍內(nèi)與經(jīng)度、海拔因素的關(guān)系,也是今后進一步研究的內(nèi)容。

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