馬褂木遺傳多樣性研究進(jìn)展

詹定舉 黃家華

摘? ?要? ?馬褂木為木蘭科鵝掌楸屬鵝掌楸亞科，屬于國家二級(jí)保護(hù)珍稀樹種。研究馬褂木的遺傳多樣性，有利于種質(zhì)資源保護(hù)工作的開展。從形態(tài)學(xué)水平、細(xì)胞學(xué)水平、等位酶水平和DNA分子標(biāo)記水平等方面綜述了馬褂木遺傳多樣性研究進(jìn)展，并提出馬褂木種質(zhì)資源保護(hù)建議。

關(guān)鍵詞? ?馬褂木;遺傳多樣性;研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：S792.21? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C? ? DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.4.005

馬褂木為木蘭科鵝掌楸屬鵝掌楸亞科，屬于我國二級(jí)保護(hù)珍稀樹種。葉形奇特美觀，是公園、城鎮(zhèn)綠化中的珍貴觀賞樹種，也可作庭蔭樹和行道樹，木材可作建筑、家具等用材，樹皮可入藥。鵝掌楸亞科有兩個(gè)種，一種葉形似馬褂，俗稱“馬褂木”，主要分布在我國11個(gè)省84縣，東界、西界、南界和北界分別為浙江省青田縣（120°17′E）、云南省金平（103°15′E）、云南省金平縣（22°37′N）和陜西省紫陽縣（32°38′N），分布區(qū)大致可分為東、西兩個(gè)亞區(qū);另一種是北美鵝掌揪，分布在美國中西部和加拿大東南部。鵝掌楸為落葉大喬木，速生，木材品質(zhì)較好，桿型挺直，花型花色與郁金香相似，而被譽(yù)為“中國郁金香木”[1-5]。研究馬褂木的遺傳多樣性，有利于種質(zhì)資源保護(hù)工作的開展。

1 遺傳多樣性

1.1 遺傳多樣性的概念

遺傳多樣性是物種選育潛力的重要條件，是生物進(jìn)化潛能的保障，是采用遺傳學(xué)、保護(hù)生物學(xué)和分子生物學(xué)的相關(guān)理論和方法對(duì)生物遺傳性狀變異進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)[6]。遺傳多樣性是指物種內(nèi)部和物種之間的全部遺傳信息總和[7]。通常所說的遺傳多樣性是指種內(nèi)遺傳多樣性[8]。

1.2 遺傳多樣性研究方法

近年來生物技術(shù)迅速發(fā)展，對(duì)遺傳變異的分析手段也不斷進(jìn)步，從形態(tài)學(xué)水平、細(xì)胞學(xué)水平、生物化學(xué)水平逐漸深入到分子水平[9]。最為精確的是從分子水平研究，因?yàn)橐磺行螒B(tài)表現(xiàn)都是以遺傳為基礎(chǔ)[10]。生物多樣性以往多從細(xì)胞學(xué)水平開展研究，如染色體的變異研究，但是染色體上包含了許多基因，通過形態(tài)標(biāo)記或染色體變異研究難以發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部基因變化細(xì)節(jié)，尤其是染色體數(shù)目相同、形態(tài)相似的種或種群的個(gè)體之間，只從形態(tài)學(xué)和細(xì)胞學(xué)方面研究遺傳多樣性就會(huì)失去分辨力[11]，而從生物化學(xué)和分子水平研究可以彌補(bǔ)這些不足。

2 馬褂木遺傳多樣性研究進(jìn)展

2.1 形態(tài)學(xué)水平

形態(tài)標(biāo)記是研究物種遺傳多樣性較為原始和簡易的一種方法。通過科學(xué)規(guī)范的采樣方案，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)形態(tài)特性進(jìn)行研究，揭示這些性狀的遺傳變異規(guī)律[12]。植物外部特征特性即為形態(tài)標(biāo)記，比如樹高、胸徑、冠幅、花型、粒色、千粒重等，比較簡單直觀。種質(zhì)資源鑒定及育種材料的選擇一直以來通過形態(tài)標(biāo)記來研究，但形態(tài)標(biāo)記有著數(shù)量少、多態(tài)性差和易受環(huán)境條件干擾等不足[13]。對(duì)于林木研究，還具有周期長的缺點(diǎn)。

劉玉壺利用形態(tài)標(biāo)記手段研究中國馬褂木，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中國馬褂木是原始的，而北美鵝掌楸是次生的[14]。中科院昆明植物所的韋仲新等研究馬褂木的形態(tài)特性，觀察到北美鵝掌楸花粉壁具有皺疣狀紋飾，中國馬褂木具穴網(wǎng)狀紋飾。根據(jù)植物演化規(guī)律也證實(shí)了這一觀點(diǎn)[15]，多數(shù)人也接受這一觀點(diǎn)。李周岐等對(duì)中國馬褂木、北美鵝掌楸及其雜交組合F1的13個(gè)性狀進(jìn)行研究，結(jié)果表明，單花雄蕊數(shù)（NS）等9個(gè)性狀在類群間存在顯著或極顯著差異，聚合果長度（LF）等11個(gè)性狀在類群內(nèi)個(gè)體間存在極顯著差異，這說明了類群內(nèi)遺傳變異水平高[16]。另有學(xué)者對(duì)結(jié)實(shí)率與花部數(shù)目性狀進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)實(shí)率與花部數(shù)目存在顯著變異，在聚合果、單株和居群三個(gè)水平上結(jié)實(shí)率存在較顯著差異[17]。徐進(jìn)等以北美鵝掌楸、馬褂木和種間雜交組合為研究對(duì)象，研究發(fā)現(xiàn)，花朵大小與顏色、雄蕊花藥、雌蕊柱頭和花粉活力性狀在種間存在顯著差異，雜種鵝掌楸花粉活力在株間存在顯著差異，樹冠上層花的花粉活力與下層花存在顯著差異[18]。李周岐等研究鵝掌楸23個(gè)種間雜種家系2a生苗木生長性狀，發(fā)現(xiàn)苗高和地徑在家系間存在極顯著的差異[19]。于靜對(duì)鵝掌楸、北美鵝掌楸和雜交F1的花果共11個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)花被片長度等10個(gè)性狀在三大類群間存在顯著差異[20]?；堇闹袊R褂木形態(tài)特性方面研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，種實(shí)性狀、葉型、光合特性、花器官在群體內(nèi)達(dá)顯著變異水平，群體間顯著分化[21]。由此看來，形態(tài)標(biāo)記在林木遺傳多樣性研究上是比較常用且簡便易行的方法。

2.2 細(xì)胞水平

染色體是遺傳物質(zhì)DNA的載體，染色體變異必然引起遺傳變異的發(fā)生。染色體變異研究主要是在細(xì)胞分裂時(shí)期觀察研究染色體的數(shù)目、形態(tài)特征和染色體帶紋，即常說的核型分析和帶型分析，在植物科屬間的系統(tǒng)分類、進(jìn)化演變研究上應(yīng)用較多。目前對(duì)鵝掌楸的核型研究少見報(bào)道。李秀蘭等通過核型分析方法研究木蘭科屬，研究得出，8個(gè)木蘭科屬（包括鵝掌楸屬）的染色體相對(duì)長度在木蘭科屬間存在一定的差異，最大染色體和最小染色體的數(shù)目均有差異，在結(jié)構(gòu)上，盡管它們很相似，但是木蘭科中染色體結(jié)構(gòu)還是發(fā)生了不那么明顯的趨異分化[22]。根據(jù)Stebbins的核型分類得出A型比B型原始，李秀蘭等研究發(fā)現(xiàn)只有鵝掌楸屬和含笑屬于比較原始的2A型，在系統(tǒng)上與其他屬存在明顯的隔離，在形態(tài)上屬最衍生的，都表現(xiàn)為原始類型。惠利省對(duì)馬褂木cpDNA進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)馬褂木cpDNA單倍型存在明顯的東、西部地理分布格局，以福建與浙江交界的武夷山北麓中山地帶為東部的單倍型分布中心，以重慶、貴州、湖南、湖北交界的中山地帶為西部的單倍型分布中心，東、西部兩區(qū)域內(nèi)共有多數(shù)單倍型，推算東、西部的馬褂木可能起源于不同的避難所，西部區(qū)域的避難所可能位于云高高原和四川南部，東部區(qū)域可能為武夷山南麓。推測(cè)冰期后東、西部兩區(qū)域的馬褂木向不同方向擴(kuò)散，在重慶、湖北、貴州、湖南交界的地帶交匯，因而這些交匯地帶存在著豐富的單倍型，其多樣性非常豐富[21]。

2.3 等位酶水平

等位酶分析方法是檢測(cè)遺傳多樣性最普遍有效的方法之一，是在種質(zhì)資源研究中應(yīng)用廣泛的技術(shù)。其中心法則：當(dāng)DNA鏈上結(jié)構(gòu)基因發(fā)生點(diǎn)突變時(shí)，一個(gè)或多個(gè)核苷酸發(fā)生了置換，會(huì)導(dǎo)致它編碼的氨基酸突變，從而影響蛋白質(zhì)構(gòu)型[21]。

20世紀(jì)90年代，Parks和Wendel利用等位酶標(biāo)記和RFLP技術(shù)，對(duì)中國馬褂木和北美鵝掌楸進(jìn)行遺傳分析，得出中國馬褂木每位點(diǎn)平均等位基因數(shù)為1.5，多態(tài)位點(diǎn)百分率33%，平均期望雜合度0.1153，北美鵝掌楸分別為18、56%和0.192，這表明前者的遺傳多樣性水平低于后者。朱曉琴等利用等位酶方法進(jìn)行研究，結(jié)果表明，中國馬褂木種內(nèi)遺傳多樣性水平高，遺傳變異的20.6%分布在居群間，79.4%分布在居群內(nèi);在變異水平和基因交流方面，西部高于東部;在居群間分化程度方面，西部低于東部;隨緯度增加，其變異水平呈遞減規(guī)律，構(gòu)成南高北低的格局。

2.4 DNA分子標(biāo)記水平

近年來分子標(biāo)記技術(shù)發(fā)展非常迅速，可用于生物遺傳多樣性研究的分子標(biāo)記越來越多，是繼形態(tài)標(biāo)記、細(xì)胞標(biāo)記和等位酶標(biāo)記之后發(fā)展起來的一種較為理想的遺傳標(biāo)記方法[13]。目前基于PCR的有RAPD、SSR、AFLP、EST、SNP等不斷改進(jìn)的分子標(biāo)記。以DNA為基礎(chǔ)的多態(tài)性檢測(cè)可以直接分析核苷酸序列的變異，是遺傳性檢測(cè)的有力手段[21]。DNA指紋圖譜是指特定DNA樣品通過分子標(biāo)記技術(shù)所顯示的不同大小DNA片段的總稱，能直接反映DNA水平上的差異，因此成為當(dāng)今最先進(jìn)、最精確的標(biāo)記系統(tǒng)。

越來越多的學(xué)者利用DNA分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)馬褂木進(jìn)行遺傳分析。羅光佐等利用RAPD標(biāo)記技術(shù)，研究得出，中國馬褂木和北美鵝掌揪兩個(gè)種均具有豐富的遺傳多樣性，但中國馬褂木的遺傳多樣性水平低于北美鵝掌揪，中國馬褂木的遺傳變異主要來自地理種源內(nèi)，北美鵝掌揪主要來自地理種源間。李建民等基于種源試驗(yàn)結(jié)果，利用RAPD標(biāo)記研究馬褂木全分布區(qū)種群間的遺傳分化及地理變異模式，發(fā)現(xiàn)馬褂木具有豐富的遺傳多樣性，西部的種群大，導(dǎo)致遺傳變異水平高于東部;在種群遺傳學(xué)上，導(dǎo)致馬褂木種群間存在巨大分化的原因有小種群效應(yīng)、缺乏有效的基因交流和致瀕機(jī)制，其遺傳變異在種群間占30%以上，但在不同的地理區(qū)域，種群間的遺傳分化程度不同。劉丹等對(duì)131個(gè)鵝掌楸樣本進(jìn)行RAPD分析，擴(kuò)增出譜帶235個(gè)，揭示鵝掌楸具有豐富的遺傳多樣性。中國馬褂木遺傳變異分量在群體間占33.03%，群體內(nèi)占66.97%;北美鵝掌楸分別為8.73%和91.27%;主要變異均存在于個(gè)體間。朱其衛(wèi)等選取來自中國馬褂木、北美鵝掌楸及雜交鵝掌楸的16個(gè)交配親本，14個(gè)雜交組合，利用SSR分子標(biāo)記方法，發(fā)現(xiàn)子代群體遺傳多樣性較高。石曉蒙利用ISSR分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)廣西內(nèi)6個(gè)自然群體進(jìn)行遺傳分析，研究得出，6個(gè)自然群體間的總變異量，種群間占29.1%，種群內(nèi)占70.90%。李龍梅等利用ISSR分子標(biāo)記方法對(duì)廣西境內(nèi)現(xiàn)存的6個(gè)野生馬褂木種群進(jìn)行遺傳變異分析，發(fā)現(xiàn)該群體具有豐富的遺傳多樣性，可將6個(gè)天然群體分為東部和西部兩組，其中西部組具有較高的遺傳多樣性。

通過對(duì)不同居群、種屬、品系的DNA分子標(biāo)記所獲得的多態(tài)性圖譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以獲悉種群間、種屬間、品系間的遺傳基因同源程度，由此判定它們的親緣程度和進(jìn)化規(guī)律。目前，許多樹種屬下或種下等級(jí)的遺傳變異、分類和進(jìn)化方面的研究都應(yīng)用了DNA分子標(biāo)記技術(shù)[13]。

3 小結(jié)

綜上所述，馬褂木具有豐富的遺傳多樣性，具有較大的遺傳改良潛力。李周岐[16]從對(duì)中國馬褂木、北美鵝掌楸及其種間雜種F1的13個(gè)性狀進(jìn)行研究，得出花被片長度等9個(gè)性狀在類群間存在顯著或極顯著差異的結(jié)論，與于靜[20]對(duì)鵝掌楸、北美鵝掌楸和雜交F1的花果共11個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行研究得出花被片長度等10個(gè)性狀在三大類群間存在顯著差異的結(jié)果基本一致。劉丹對(duì)馬褂木遺傳多樣性的研究，得出馬褂木群體間遺傳變異分量平均占33.03%，群體內(nèi)占66.97%，與朱曉琴等利用等位酶分析得到的鵝掌楸群體間遺傳變異分量占20.6%，群體內(nèi)占79.4%和石曉蒙利用ISSR分子標(biāo)記技術(shù)研究6個(gè)自然群體遺傳變異分量種群間占29.1%，種群內(nèi)占70.90%的結(jié)果基本一致。此外，三者與羅光佐利用RAPD標(biāo)記研究，發(fā)現(xiàn)中國馬褂木的遺傳變異主要來自地理種源內(nèi)和李斌等根據(jù)鵝掌楸木材性狀遺傳變異規(guī)律，得出種內(nèi)差異是鵝掌楸屬的主要變異來源的研究結(jié)果相應(yīng)。這些研究結(jié)果說明鵝掌楸群體內(nèi)選優(yōu)的潛力很大。李龍梅等利用ISSR分子標(biāo)記方法研究得出馬褂木東部遺傳多樣性低于西部，與李建民利用RAPD技術(shù)對(duì)15個(gè)種群的遺傳多樣性進(jìn)行了分析的結(jié)果大致相符。Parks和Wendel用等位酶標(biāo)記和RFLP技術(shù)，得出中國馬褂木的遺傳多樣性低于北美鵝掌楸這一結(jié)論與羅光佐等利用RAPD標(biāo)記技術(shù)研究結(jié)果一致。

在生物學(xué)上，物種的遺傳多樣性越豐富，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力就越強(qiáng)，在自然選擇中，更容易留存下來。馬褂木作為我國二級(jí)珍稀保護(hù)樹種，處于瀕危狀態(tài)。有學(xué)者認(rèn)為生殖上隔離、人為生境碎片化和生態(tài)環(huán)境惡化是造成馬褂木日趨瀕危的主要原因。針對(duì)馬褂木的分布情況和遺傳結(jié)構(gòu)，筆者提出保護(hù)馬褂木種質(zhì)資源的建議：1）禁止亂砍濫伐，保存好現(xiàn)有的群落和個(gè)體，盡量采取原地保存。2）采集所有自然群體種子或穗條，營建種質(zhì)資源庫，比如種源試驗(yàn)林、種子園、采穗圃等。3）促進(jìn)基因交流，豐富其遺傳多樣性。

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（助理編輯：易 婧;責(zé)任編輯：丁志祥）