胡永春,楊子,習(xí)靚靚,李雨姍,周紫羽,符強(qiáng),邵毅貞,葉永忠,袁志良
(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,河南 鄭州 450002;2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,河南 鄭州 450002)
DNA條形碼技術(shù)是利用短DNA片段對(duì)物種進(jìn)行快速準(zhǔn)確識(shí)別和鑒定的技術(shù),在系統(tǒng)發(fā)育群落生態(tài)學(xué)研究中較為常見(jiàn),多用于探索群落物種的生態(tài)和進(jìn)化機(jī)制,以及群落內(nèi)物種之間相互作用對(duì)進(jìn)化和生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程的影響[1-3]。目前,該技術(shù)主要應(yīng)用于木本植物的研究中。KRESS等[4]使用matK+rbcL+psbA-trnH的DNA條形碼片段組合對(duì)巴羅科拉多島(Barro Colorado Island,BCI)樣地中299個(gè)物種進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別,識(shí)別率高達(dá)98%。裴男才等[5]利用DNA條形碼技術(shù)構(gòu)建了鼎湖山大樣地木本植物系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系,從森林群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)來(lái)了解該區(qū)域生態(tài)狀況。盧孟孟等[6]以被子植物系統(tǒng)發(fā)育研究組系統(tǒng)(angiosperm phylogeny group,APG)為框架,結(jié)合DNA條形碼技術(shù)構(gòu)建哀牢山森林群落系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹(shù),為從譜系結(jié)構(gòu)了解木本植物群落多樣性維持機(jī)制提供了新的視角。
苔蘚植物(Bryophyte)是生物多樣性的重要組成部分,在水土保持、積蓄養(yǎng)分和林地更新等方面具有重要的生態(tài)價(jià)值[7]。苔蘚植物體型微小、構(gòu)造簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境變化敏感,經(jīng)常作為環(huán)境變化的指示物種,然而單從形態(tài)特征和生理結(jié)構(gòu)上鑒定苔蘚植物難度較大,從而限制了苔蘚植物生態(tài)學(xué)的發(fā)展[8]。近年來(lái),有關(guān)苔蘚植物分子生物學(xué)研究主要集中在苔蘚植物生長(zhǎng)狀況記錄[9]、苔蘚植物系統(tǒng)發(fā)育與系統(tǒng)學(xué)研究以及來(lái)自不同基因組標(biāo)記進(jìn)化和系統(tǒng)發(fā)育效用等方面[10-11]。郭磊等[12]在小秦嶺自然保護(hù)區(qū)通過(guò)生態(tài)位來(lái)研究了苔蘚植物物種多樣性。陳云等[13-14]在小秦嶺自然保護(hù)區(qū)用群落數(shù)量分類(lèi)和排序的方法研究了苔蘚植物物種多樣性與樣地環(huán)境因子的關(guān)系。目前,苔蘚植物DNA條形碼技術(shù)尚不成熟,同時(shí)苔蘚植物整體系統(tǒng)發(fā)育框架的構(gòu)建還未完成,無(wú)法像木本植物一樣根據(jù)已有的分類(lèi)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)進(jìn)行群落生態(tài)學(xué)分析。劉艷等[15]根據(jù)Gen-Bank中3 365條rps4基因序列,利用遺傳距離法和分子系統(tǒng)學(xué)方法證明rps4基因作為苔蘚植物候選條形碼片段具有較好的可行性。張安世等[16]基于葉綠體trnL-F基因序列對(duì)10種苔蘚植物親緣關(guān)系進(jìn)行分析,把不同科的苔蘚植物分類(lèi)到不同的譜系樹(shù)的分支上。李丹丹等[17]用trnL、trnG、psbT和rps4基因序列進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析并構(gòu)建了15棵貝葉斯系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),發(fā)現(xiàn)trnL-trnG-psbT組合適合用于蓑蘚屬植物的系統(tǒng)發(fā)育分析。趙麗嘉等[18]通過(guò)atpB和rbcl基因序列進(jìn)行蘚類(lèi)物種系統(tǒng)重建時(shí),發(fā)現(xiàn)rbcl基因序列不僅長(zhǎng)度適合做PCR擴(kuò)增,且有助于系統(tǒng)重建。并非所有基因片段都適合苔蘚植物系統(tǒng)發(fā)育群落生態(tài)學(xué)研究。rps4基因?qū)儆诒J鼗颍谶M(jìn)化水平上比較慢,容易擴(kuò)增和成功測(cè)序;rbcl基因是部分苔蘚植物的保守性片段,對(duì)于苔蘚植物的識(shí)別效果較高;trnL-F基因存在于植物葉綠體的非編碼區(qū),其功能編碼區(qū)進(jìn)化速度小,受外界因素變動(dòng)壓力小,適合用于分類(lèi)水平上系統(tǒng)關(guān)系的重建[15-17]。因此,rps4、rbcl和trnL-F基因常用來(lái)評(píng)估DNA條形碼技術(shù)在苔蘚植物系統(tǒng)發(fā)育群落生態(tài)學(xué)中可適性。但是,上述研究是基于NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中理論上的苔蘚植物序列以及苔蘚植物標(biāo)本提取的DNA序列進(jìn)行的,缺乏對(duì)森林動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地內(nèi)的苔蘚植物的實(shí)地考察與驗(yàn)證。有關(guān)苔蘚植物DNA條形碼技術(shù)在物種層面的鑒定以及苔蘚植物群落系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)重建方面的研究需要進(jìn)一步推進(jìn)。
本研究基于白云山國(guó)家森林公園4個(gè)1 hm2森林動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地,對(duì)樣地內(nèi)苔蘚植物進(jìn)行采集并提取物種DNA,利用單一DNA條形碼和組合DNA條形碼技術(shù)進(jìn)行苔蘚物種鑒定并構(gòu)建樣地苔蘚植物物種系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化關(guān)系樹(shù),通過(guò)3種DNA條形碼片段鑒定樣地內(nèi)苔蘚植物物種的成功率,構(gòu)建快速有效鑒定苔蘚植物體系,進(jìn)而構(gòu)建白云山國(guó)家森林公園動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地苔蘚植物系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化關(guān)系樹(shù),了解苔蘚植物群落中物種親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近以及物種組成,為苔蘚植物生態(tài)學(xué)發(fā)展和苔蘚植物物種多樣性保護(hù)奠定基礎(chǔ)。
白云山國(guó)家森林公園位于河南省洛陽(yáng)市嵩縣南部伏牛山原始林區(qū),經(jīng)緯度坐標(biāo)為111°48′~112°16′E,33°33′~33°56′N(xiāo),總面積168 km2。區(qū)域內(nèi)地勢(shì)西高東低,山體南北平等延伸,地處南北地理氣候分界線,屬亞熱帶暖溫帶氣候過(guò)渡區(qū)。該區(qū)域內(nèi)年均氣溫13.1~13.9 ℃,最低氣溫-14.4 ℃,最高氣溫42.1 ℃;年降雨量達(dá)1 200 mm,多集中在7—9月。土壤類(lèi)型為山地棕壤、山地黃棕壤和山地褐土,且陰暗潮濕;有機(jī)質(zhì)含量高,區(qū)域內(nèi)土壤質(zhì)地多以輕壤為主,pH值5.5~6.5,呈酸性。
2015年在對(duì)白云山國(guó)家森林公園全面踏查的基礎(chǔ)上,參照BCI樣地技術(shù)規(guī)范,選擇具有代表性的森林植物群落建立了4個(gè)1 hm2(100 m×100 m)永久性森林動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地。樣地建設(shè)時(shí)用全站儀(徠卡TC2003,德國(guó))打點(diǎn)定位,以西南角為原點(diǎn),將1 hm2的樣地細(xì)劃分為25個(gè)20 m×20 m子樣方,子樣方4個(gè)角用水泥柱做標(biāo)記[19]。
自2018-07-05開(kāi)始為期7 d的苔蘚植物標(biāo)本采集工作,對(duì)4個(gè)1 hm2典型森林群落的樣地中所有苔蘚植物進(jìn)行調(diào)查。每個(gè)1 hm2樣地劃分為25個(gè)20 m×20 m的子樣方,再進(jìn)一步劃分成4個(gè)10 m×10 m的小樣方。以小樣方為采樣基本單位,對(duì)其中所有苔蘚植物(石生苔蘚植物、土生苔蘚植物、腐木生苔蘚植物以及樹(shù)附生苔蘚) 進(jìn)行地毯式采集。樣方中不同蘚叢分別裝袋,記錄其所在樣方號(hào)和生境信息[19]。本研究共采集到苔蘚植物標(biāo)本3 305份,在陰涼通風(fēng)處晾干后存放在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)標(biāo)本館(HEAC)。
將采集的不同種苔蘚植物挑取相對(duì)干凈的植株,蒸餾水漂洗,去除土壤和雜質(zhì)。用鑷子撕下苔蘚的葉片,裝入提前裝好鋼珠的2.0 mL的離心管中,用液氮浸泡后,使用組織研磨儀(JXFSTPRP,上海)磨樣,磨成粉末狀。使用百泰克植物DNA的提取試劑盒(百泰克BioTeKe,無(wú)錫),提取苔蘚植物的DNA,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的瓊脂糖凝膠進(jìn)行電泳,條帶明亮的苔蘚物種DNA作為PCR的材料。
采用rps4、trnL-F、rbcl基因共3個(gè)DNA片段進(jìn)行分析。參照SAVOLAINEN等[20]的PCR反應(yīng)體系進(jìn)行優(yōu)化和篩選。采用25 μL體系,包括模板10 μL,正反引物各1 μL,2×Es TaqMasterMix(Dye)12.5 μL,滅菌雙蒸水0.5 μL。3個(gè)片段的長(zhǎng)度不同所要求的變性溫度、退火溫度及循環(huán)次數(shù)不同,如表1、表2、表3所示。PCR 擴(kuò)增后的產(chǎn)物經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的瓊脂糖凝膠電泳觀察條帶亮度,將有單一清晰條帶的結(jié)果送至鄭州瑞尤科技生物有限公司,測(cè)序引物為PCR反應(yīng)正向引物。3個(gè)引物片段的序列如表4所示。
表1 rps4基因PCR反應(yīng)步驟Table 1 rps4 gene PCR reaction steps
表2 rbcl基因PCR反應(yīng)步驟Table 2 rbcl gene PCR reaction steps
表3 TrnL-F基因 PCR反應(yīng)步驟Table 3 TrnL-F gene PCR reaction steps
表4 引物序列片段Table 4 Primer sequence fragments
測(cè)序成功率是獲得高質(zhì)量序列數(shù)與苔蘚植物總個(gè)體數(shù)的比例。物種識(shí)別率是識(shí)別成功的個(gè)體數(shù)與總個(gè)體數(shù)的比例[4]。綜合成功率是苔蘚植物測(cè)序成功率和苔蘚植物匹配成功率的乘積[22]。根據(jù)測(cè)序結(jié)果,用MAGE7.0對(duì)序列進(jìn)行整理、編輯后保存為FASTE格式文檔,3個(gè)片段逐條Blast比對(duì),確定該序列所屬的科、屬和種并記錄鑒定成功率。BioEdit打開(kāi)3個(gè)序列的DNA片段,對(duì)序列進(jìn)行拼接,同種的序列自動(dòng)連接在一起并調(diào)整,用最大似然法(maximum likelihood,ML)快速準(zhǔn)確地獲得苔蘚植物的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化關(guān)系樹(shù)。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化關(guān)系樹(shù)上節(jié)點(diǎn)支持率的高低將進(jìn)化枝分為3類(lèi):高支持率(支持率大于等于85%)、中支持率(支持率介于65%~84%)和弱支持率(支持率小于64%)[4]。使用R語(yǔ)言vegan包,用多重檢驗(yàn)法比較樣地內(nèi)苔蘚植物的測(cè)序成功率、物種識(shí)別成功率和綜合成功率的差異。
如圖1、圖2、圖3所示,白云山國(guó)家森林公園動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地苔蘚植物DNA條形碼片段rps4、rbcl、trnL-F、rps4+rbcl、rbcl+trnL-F、rps4+trnL-F、rbcl+rps4+trnL-F的測(cè)序成功率分別為98.59%、87.32%、94.89%、91.54%、90.14%、95.77%和91.54%;物種識(shí)別成功率分別為97.18%、77.64%、90.14%、87.32%、84.50%、91.54%和88.73%;綜合成功率分別為95.81%、67.80%、85.53%、79.93%、76.16%、87.67%和81.22%。其中,rps4基因測(cè)序成功率,物種識(shí)別的成功率和綜合成功率最高,且比其他條形碼片段顯著(P<0.05)。
注:A~G分別代表rps4、rbcl、trnL-F、rps4+rbcl、rbcl+trnL-F、rps4+trnL-F、rbcl+rps4+trnL-F。不同字母表示結(jié)果差異性顯著,P<0.05。下同。Note:A~G stands for rps4、rbcl、trnL-F、rps4+rbcl、rbcl+trnL-F、rps4+trnL-F、rbcl+rps4+trnL-F.Different letter indicate that the results are significantly different,P<0.05.The same as below.圖1 白云山國(guó)家森林公園動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地苔蘚植物DNA條形碼片段測(cè)序成功率Fig.1 Success rate of DNA barcoding fragment sequencing of bryophytes in the dynamic monitoring plots of Baiyun Mountain National Forest Park
圖2 白云山國(guó)家森林公園動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地苔蘚植物DNA條形碼片段物種識(shí)別成功率Fig.2 The success rate of species identification of DNA barcoding fragments of bryophytes in the dynamic monitoring plots of Baiyun Mountain National Forest Park
圖3 白云山國(guó)家森林公園動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地苔蘚植物DNA條形碼片段綜合成功率Fig.3 Comprehensive success rate of DNA barcoding fragments of bryophytes in the dynamic monitoring plots of Baiyun Mountain National Forest Park
利用Blast法對(duì)白云山國(guó)家森林公園監(jiān)測(cè)樣地苔蘚植物DNA條形碼片段進(jìn)行搜索,結(jié)果共有25科45屬71種,如表5所示。其中,蘚類(lèi)21科41屬66種,占總物種數(shù)的92.96%;苔類(lèi)4科4屬5種,占總物種數(shù)的7.04%。優(yōu)勢(shì)科的屬、種統(tǒng)計(jì)及多度排前4的物種分別為長(zhǎng)肋青蘚、短葉毛錦蘚、尖葉匐燈蘚和東亞毛灰蘚,如表6所示。
表5 白云山國(guó)家森林公園動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地71種苔蘚植物組成名錄Table 5 List of 71 species composition of bryophytes in the dynamic monitoring plots of Baiyun Mountain National Forest Park
續(xù)表5 Continuing table 5
表6 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地71種苔蘚植物優(yōu)勢(shì)科的屬、種統(tǒng)計(jì)及多度排前4的物種Table 6 The top4 species in genera,species and abundance of dominant families of 71 species of bryophytes in the dynamic monitoring plots
基于rps4構(gòu)建白云山國(guó)家森林公園動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地71種苔蘚植物的ML系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化關(guān)系樹(shù),如圖4所示。從系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化關(guān)系樹(shù)上可以看出,5種苔類(lèi)和66種蘚類(lèi)形成2大分支,得到98%的支持率。其中,作為優(yōu)勢(shì)科的青蘚科(Brachytheciacea)所有物種以93%的高支持率聚在1個(gè)大分支上;同屬于羽蘚科(Thuidiaceae)羽蘚屬(Abietinella)的山羽蘚(Abietinellaabietina)、多疣麻羽蘚(Claopodiumpellucinerve)和細(xì)葉小羽蘚(Haplocladiummicrophyllum)以79%的中支持率聚在與青蘚科相同的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化關(guān)系樹(shù)分支上,說(shuō)明物種之間親緣關(guān)系相近,符合形態(tài)分類(lèi)的理論。平邊厚角蘚(Gammiellapanchienii)、南方小錦蘚(Brotherellahenonii)、厚角蘚(Gammiellapterogonioides)、狹葉厚角蘚(Gammiellatonkinensis)、彎葉刺枝蘚(Wijkiadeflexifolia)、角狀刺枝蘚(Wijkiahornschuchii)、矮錦蘚(Sematophyllumsubhumile)、彎葉毛錦蘚(Pylaisiadelphatenuirostris)、短葉毛錦蘚(Pylaisiadelphayokohamae)則以58%的弱支持率聚為另外1個(gè)大分支上。
注:比例尺代表苔蘚植物種間距離。節(jié)點(diǎn)支持率數(shù)值用星號(hào)★為高支持率、圓形●為中支持率、菱形◆為弱支持率。Note:Scale bar represents the distance between bryophytes.Point support value with asterisk ★ for high support rate,●for support rate,◆ for weak support rate.圖4 基于rps4構(gòu)建白云山國(guó)家森林公園動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地71種苔蘚植物的ML系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化關(guān)系樹(shù)Fig.4 ML phylogenetic relationship tree of 71 species of bryophytes in the dynamic monitoring plots of Baiyun Mountain National Forest Park constructed based on rps4
測(cè)序成功率、物種識(shí)別成功率和綜合成功率是評(píng)價(jià)DNA條形碼片段是否適用于系統(tǒng)發(fā)育群落生態(tài)學(xué)研究的重要指標(biāo)[22]。本研究中,rps4基因的測(cè)序成功率和物種識(shí)別成功率都明顯高于rbcl和trnL-F,分別達(dá)到了98.59%和97.18%,推測(cè)是因?yàn)閞ps4基因在苔蘚植物中的葉綠體基因組中屬于偏保守的基因片段,在進(jìn)化水平上變異速度較慢[23]。此外,盡管rps4基因進(jìn)化速度慢,但是其序列內(nèi)部的間隔區(qū)比例很小,能更好進(jìn)行高級(jí)分類(lèi)單元的序列比對(duì),因此在苔蘚植物的科級(jí)和屬級(jí)水平具有較好的分辨率,所以被廣泛應(yīng)用到苔蘚植物的系統(tǒng)重建和分析中[15]。本研究中trnL-F和rbcl基因的測(cè)序成功率和物種識(shí)別成功率都低于rps4基因。但依舊表現(xiàn)出適用于苔蘚植物系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系重建的潛力。trnL-F基因位于葉綠體的非編碼區(qū),功能編碼區(qū)進(jìn)化速度小,受外界因素變動(dòng)壓力小,在分類(lèi)水平上用于系統(tǒng)關(guān)系的重建比較合適[16]。在苔蘚植物的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系研究中,張安世等[17]曾基于葉綠體trnL-F基因序列對(duì)10種苔蘚植物親緣關(guān)系進(jìn)行分析,構(gòu)建出了可信度高的進(jìn)化樹(shù)。本研究中trnL-F和rbcl基因的測(cè)序成功率分別為94.89%和87.32%,物種識(shí)別成功率分別為90.14%和77.64%,表明二者依然是研究蘚類(lèi)物種系統(tǒng)重建時(shí)潛在的可參照的基因片段,即rps4、trnL-F和rbcl基因在苔蘚植物中均具備了DNA條形碼的通用性。相對(duì)于單一片段,在2個(gè)片段的不同組合中,rps4+trnL-F基因的測(cè)序成功率和物種識(shí)別率最高,分別達(dá)到了95.77%和91.54%。但與單一片段的rps4基因相比,苔蘚植物的測(cè)序成功率和物種識(shí)別率都是降低的,這種現(xiàn)象在木本植物中鮮有報(bào)道,但是在苔蘚植物中確是有過(guò)類(lèi)似的現(xiàn)象。趙麗嘉等[18]研究發(fā)現(xiàn)2個(gè)基因組合片段時(shí)鑒別成功率最高,但當(dāng)增加至3個(gè)基因組合片段時(shí)鑒別成功率反而有所降低。本研究結(jié)果為后續(xù)苔蘚植物親緣關(guān)系分析、譜系和演化以及遺傳鑒定等方面的研究提供了理論基礎(chǔ)。
此次苔蘚植物DNA條形碼研究是基于白云山國(guó)家森林公園動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地?cái)?shù)據(jù),共鑒定出25科45屬71種苔蘚植物,其中蘚類(lèi)21科41屬66種,苔類(lèi)4科4屬5種,序列分析結(jié)果和形態(tài)分類(lèi)學(xué)中的結(jié)果基本一致。和以往研究不同,本研究是在單一科或者屬內(nèi)苔蘚植物系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的重建和單一苔蘚植物的DNA序列的鑒別。與典型的傳統(tǒng)方法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹(shù)相比,DNA條形碼片段物種識(shí)別速度快,利用其構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹(shù)能夠?yàn)槟┒说牡碗A分類(lèi)單元提供準(zhǔn)確的位置,從而構(gòu)建出精度更高的苔蘚植物系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹(shù)[23]。本研究將白云山國(guó)家森林公園動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地的苔蘚植物劃分成2個(gè)大分支,青蘚科、錦蘚科在樣地中為優(yōu)勢(shì)科,科內(nèi)高支持率的物種同聚在1個(gè)大分支上。相似的苔蘚植物物種區(qū)分度高,親緣關(guān)系近的苔蘚物種聚集在一起,而親緣關(guān)系遠(yuǎn)的苔蘚物種相對(duì)比較分散,符合形態(tài)分類(lèi)學(xué)的理論[24]。利用苔蘚植物群落系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹(shù)有助于直觀了解白云山國(guó)家森林公園動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地內(nèi)苔蘚植物群落中物種親緣關(guān)系。本研究表明,DNA條形碼可以作為生態(tài)學(xué)研究的工具,為大樣地研究苔蘚植物的生態(tài)學(xué)提供新的發(fā)展方向,有助于大樣地中苔蘚植物研究的更深入開(kāi)展,并且能夠更加準(zhǔn)確構(gòu)建樣地內(nèi)植物群落的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系,區(qū)分開(kāi)相似的苔蘚植物物種,促進(jìn)系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系在生態(tài)學(xué)中的發(fā)展。以大樣地為平臺(tái),在更大范圍內(nèi)研究苔蘚植物的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系,有利于苔蘚植物譜系結(jié)構(gòu)和苔蘚植物譜系生態(tài)學(xué)的研究,并為后期研究暖溫帶-北亞熱帶過(guò)渡區(qū)苔蘚植物群落的共存機(jī)制和物種多樣性的保護(hù)提供清晰的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系基礎(chǔ)。