吳 ,李慧敏,楊 維,楊錦紅,陳 敏,李進(jìn)昆,蹇洪英
(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所,云南昆明650205)
薔薇屬(Rosa L.)的分類系統(tǒng)非常復(fù)雜,這種復(fù)雜性是由演化過(guò)程如雜交、基因漸滲等導(dǎo)致的表型、基因型和生態(tài)型的變異和可塑性所共同產(chǎn)生的[1],這些因素之間又相互關(guān)聯(lián)[2]。薔薇屬植物的表型可塑性給其分類帶來(lái)了很大的麻煩,不同的分類系統(tǒng)對(duì)物種數(shù)的認(rèn)定也各不相同,其種下分類更是復(fù)雜。
東喜馬拉雅-橫斷山地區(qū)是薔薇屬植物的分布中心之一,橫斷山地區(qū)分布有薔薇屬植物45個(gè)種、18個(gè)變種和10個(gè)變型[3-4]。川滇薔薇(R.soulieana Crép)是橫斷山地區(qū)的薔薇屬代表植物之一,廣泛分布在海拔2 500~3 700 m的灌叢、山坡、溪邊及農(nóng)地旁,蘊(yùn)藏著對(duì)月季品種改良和種質(zhì)創(chuàng)新所需的耐干旱[5]、耐貧瘠和花香等重要的優(yōu)異性狀及相關(guān)基因,是一種非常重要的月季種質(zhì)資源[6]。根據(jù)花序中小花數(shù)量、葉片大小及有無(wú)毛和有無(wú)腺等特征分為川滇薔薇原變種(R.soulieana var.soulieana)、毛葉川滇薔薇(R.soulieana var.yunnanensis)、大葉川滇薔薇(R.soulieana var.sungpanensis)和小葉川滇薔薇(R.soulieana var.microphylla),小葉川滇薔薇和大葉川滇薔薇分別只在西藏八宿和四川松藩有分布,毛葉川滇薔薇主要分布在云南,原變種則在橫斷山地區(qū)廣泛分布[7-8]。《中國(guó)植物志》和《Flora of China》均認(rèn)為安徽省金寨縣也有川滇薔薇原變種分布。實(shí)際上,在野外調(diào)查和標(biāo)本查閱中可以發(fā)現(xiàn)川滇薔薇各變種之間的分類特征界限并不明顯,過(guò)渡類型較多。那么,現(xiàn)有的種下分類系統(tǒng)是否真實(shí)地反映了川滇薔薇種內(nèi)的遺傳變異?來(lái)自安徽的川滇薔薇居群與來(lái)自橫斷山地區(qū)的川滇薔薇居群之間的相互關(guān)系如何?川滇薔薇種內(nèi)的表型變異究竟如何?為了弄清這3個(gè)問(wèn)題,有必要對(duì)來(lái)自橫斷山地區(qū)的川滇薔薇居群以及來(lái)自安徽金寨的川滇薔薇居群進(jìn)行種下分類系統(tǒng)和表型變異研究。
形態(tài)標(biāo)記是檢測(cè)遺傳多樣性大小和分布的傳統(tǒng)標(biāo)記,形態(tài)特征多樣性常被用來(lái)估計(jì)居群間或居群內(nèi)的遺傳變異[9]。單拷貝核基因遵循雙親遺傳方式,能提供大量信息位點(diǎn),且能減少旁系同源(paralog)的影響[10]。本研究利用2個(gè)單拷貝核基因片段:3-磷酸甘油醛脫氫酶基因(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,GAPDH)、葉綠體表達(dá)的谷氨酰胺合成酶基因(chloroplast-expressed glutamine synthetase,ncpGS)以及43個(gè)形態(tài)特征對(duì)川滇薔薇來(lái)自橫斷山地區(qū)的38個(gè)居群和來(lái)自安徽金寨的1個(gè)居群進(jìn)行聚類分析,探討川滇薔薇的種下分類系統(tǒng),同時(shí)研究其表型多樣性及表型變異特征。
根據(jù)標(biāo)本記錄,在有標(biāo)本和分布記錄的橫斷山地區(qū)以及安徽省金寨縣進(jìn)行川滇薔薇的標(biāo)本和分子材料采集。采樣策略遵循居群生態(tài)學(xué)采樣的原理和方法[11],同時(shí)用GPS記錄居群的詳細(xì)信息,如經(jīng)度、緯度和海拔(表1)。
1.2.1 基于單拷貝核基因片段的居群間系統(tǒng)關(guān)系 (1)總DNA提取和PCR擴(kuò)增。每個(gè)居群隨機(jī)選擇1個(gè)個(gè)體,用植物總DNA提取試劑盒(Plant DNA-Easy kit,北京百泰克公司)進(jìn)行所有樣品[包括麗江薔薇(R.lichiangensis Yüet Ku)和野薔薇(R.multiflora Thunb)2個(gè)外類群]總DNA的提取。選擇GAPDH和ncpGS這2個(gè)單拷貝核基因作為目的片段。GAPDH的引物序列為:GPDX7-F,5′-GATAGATTTGGAATT GTTGAGG-3′;GPDX11-R,5′-GACATTGAATGAGATAAA CC-3,PCR反應(yīng)程序參照 Joly等的方法[12]。ncpGS的引物序列為:GScp687-F,5′-GATGCTCACTACAAGGCTTG-3′;GScp994-R,5′-AATGTGCTCTTTGTGGCGAAG-3′[13],PCR反應(yīng)程序參照Meng等的方法[14]。用2%瓊脂糖凝膠檢測(cè)PCR擴(kuò)增產(chǎn)物的質(zhì)量和濃度,最終產(chǎn)物送上海美吉生物技術(shù)公司進(jìn)行序列測(cè)定。
(2)數(shù)據(jù)分析。采用Chromas軟件對(duì)測(cè)序結(jié)果進(jìn)行核對(duì),核對(duì)后的單條序列用 DNAStar(gene codes corporation,USA)進(jìn)行序列拼接,對(duì)于測(cè)序結(jié)果中存在的雜合位點(diǎn)用簡(jiǎn)并堿基進(jìn)行代替。從 GeneBank(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genebank)下載光葉薔薇(R.luciae Franch.et.Roch.)和懸鉤子薔薇(R.rubus Lével.)的相應(yīng)序列。采用 Clustal ver.181[15]對(duì)所有序列進(jìn)行比對(duì),用 BioEdit ver.7.0.4.1軟件[16]進(jìn)行修正。采用 Mega 6.0軟件[17]分別構(gòu)建基于最大似然法的ML樹和最大簡(jiǎn)約法的50%一致樹。
1.2.2 基于形態(tài)數(shù)據(jù)的居群間聚類關(guān)系 形態(tài)數(shù)據(jù)的編碼及測(cè)量:根據(jù)《中國(guó)植物志》對(duì)薔薇主要是川滇薔薇及其變種的分類特征的描述,選取與枝、刺、葉和花等形態(tài)相關(guān)的43個(gè)表型性狀進(jìn)行編碼,共包含14個(gè)二元性狀、2個(gè)多元性狀和27個(gè)直接數(shù)量性狀。對(duì)含安徽金寨居群在內(nèi)的花和葉形態(tài)特征較完善的31個(gè)居群的所有個(gè)體進(jìn)行形態(tài)特征測(cè)量,測(cè)定值或計(jì)數(shù)值即為編碼(表2)。每個(gè)個(gè)體每個(gè)數(shù)量性狀重復(fù)3次,與葉相關(guān)的性狀以花枝上中間部位的復(fù)葉為測(cè)量對(duì)象;與花相關(guān)的性狀則以完全展開的花朵為測(cè)量對(duì)象。用游標(biāo)卡尺測(cè)定花梗長(zhǎng)、萼筒的長(zhǎng)與寬,并計(jì)算萼筒的長(zhǎng)寬比。
表1 川滇薔薇居群信息
表2 表型性狀及編碼
形態(tài)數(shù)據(jù)分析方法:采用NTSYS pc ver.2.1對(duì)形態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,然后進(jìn)行居群的PCA分析和居群間基于表型的UPGMA聚類。
1.2.3 表型多樣性和居群間表型變異的研究方法 形態(tài)數(shù)據(jù)的測(cè)量方法見“1.2.2”節(jié),主要用27個(gè)數(shù)量性狀對(duì)根據(jù)單拷貝核基因和表型聚類結(jié)果已確定為川滇薔薇的來(lái)自橫斷山的30個(gè)居群的所有個(gè)體進(jìn)行測(cè)量。采用SPSS13.0軟件進(jìn)行居群各數(shù)量性狀的均值(Mean)、標(biāo)準(zhǔn)差(SD)和變異系數(shù)(CV)的統(tǒng)計(jì),用SAS 9.0軟件進(jìn)行各直接數(shù)量性狀在居群間和居群內(nèi)的方差分析。其中,表型分化系數(shù)的計(jì)算同楊維澤等的方法[18]。
2.1.1 序列特征 比對(duì)后ncpGS基因數(shù)據(jù)矩陣長(zhǎng)700 bp,有
21個(gè)變異位點(diǎn),其中13個(gè)是信息位點(diǎn)。比對(duì)后的GAPDH基因數(shù)據(jù)矩陣長(zhǎng)719 bp,有57個(gè)變異位點(diǎn),其中28個(gè)是信息位點(diǎn)。2個(gè)片斷聯(lián)合后形成的數(shù)據(jù)矩陣長(zhǎng)1 419 bp,有78個(gè)變異位點(diǎn),其中41個(gè)是信息位點(diǎn)。
2.1.2 居群間系統(tǒng)關(guān)系 從圖1可以看出,來(lái)自橫斷山的所有川滇薔薇居群總是單獨(dú)地成為一支,在ML樹中與來(lái)自安徽(AH)的材料和懸鉤子薔薇一起成為并系,說(shuō)明來(lái)自安徽的材料可能不屬于川滇薔薇。50%MP一致樹也表明,來(lái)自橫斷山的川滇薔薇居群?jiǎn)为?dú)成為一支,而來(lái)自安徽的材料則以50%的靴帶值(bootstrap值)與來(lái)自合柱組的其他種單獨(dú)構(gòu)成一支。因此,來(lái)自安徽的材料不是川滇薔薇。在川滇薔薇內(nèi),來(lái)自橫斷山的居群并沒(méi)有嚴(yán)格地按照地理距離或種下分類系統(tǒng)的4個(gè)變種進(jìn)行聚類。如根據(jù)形態(tài)特征被定名為大葉川滇薔薇的松藩居群(SP)在ML樹和50%MP一致樹中都與被定名為川滇薔薇原變種的丹巴(DB)、黑水(HS)、金川(JC)和馬爾康(MEK)等居群聚在一起;被定名為原變種的小金(XJ)和理縣(LX)等居群又與被定名為毛葉變種的寧蒗(NL)、德欽云嶺(DQyl)等居群聚在一起。
2.2.1 不同居群基于表型性狀的主成分分析 對(duì)含安徽居群在內(nèi)的39個(gè)居群的主成分分析,結(jié)果(表3)表明,對(duì)第一主成分貢獻(xiàn)最大的是頂端小葉長(zhǎng)(TLL)、中部小葉長(zhǎng)(MLL)、葉片連柄長(zhǎng)(LLPP)、頂端小葉柄長(zhǎng)(TLSL)、基部小葉長(zhǎng)(BSL)、葉柄長(zhǎng)(PTL)、中部小葉寬(MLW)、頂端小葉寬(TLW)、基部小葉寬(BSW)以及花序的小花數(shù)(FNPI)。對(duì)第二主成分貢獻(xiàn)最大的是花直徑(FLD)、花瓣寬(PTAW)、花瓣長(zhǎng)(PTAL)和萼片寬(SPLW)。對(duì)第三主成分貢獻(xiàn)最大的是苞片長(zhǎng)(BRL)、苞片寬(BRW)、柱頭長(zhǎng)(STL)以及柱頭數(shù)量(STN)。第一主成分的貢獻(xiàn)率為33.26%,第二和第三主成分的貢獻(xiàn)率分別為18.15%和10.82%,前3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為62%,說(shuō)明可以應(yīng)用主成分分析法進(jìn)行39個(gè)居群的表型聚類分析。從圖2可以看出,AH居群與來(lái)自橫斷山地區(qū)的川滇薔薇居群形態(tài)差異較大。AH居群的頂端小葉葉柄長(zhǎng)可達(dá)1.06 cm,花梗長(zhǎng)1.64 cm,均遠(yuǎn)大于來(lái)自橫斷山的川滇薔薇居群。雖然其葉片、頂端小葉葉柄長(zhǎng)及花梗長(zhǎng)等均較大,但其花部特征偏小,主要是花的直徑?。?.26 cm)、花瓣窄(1.17 cm)、花柱短(0.381 cm)、萼筒近圓形。來(lái)自橫斷山地區(qū)的麗江文海(LJwh)、麗江新主(LJxz)、察隅古玉(CYgy)、寧蒗(NL)、鹽源(YY)、康定(KD)、中甸(ZD)和松藩(SP)等居群間關(guān)系較松散,而其他居群之間的表型差異較小、親緣關(guān)系較近。
2.2.2 不同居群基于表型性狀的UPGMA聚類 各居群基于歐氏距離(EUCLID)的聚類結(jié)果(圖3)表明,安徽(AH)群體離其他居群的遺傳距離最遠(yuǎn),而分布于橫斷山地區(qū)的其他居群并未嚴(yán)格按地理距離進(jìn)行聚類。雖然部分居群間由于地理距離近且表型相近而聚為一支,但不是所有地理距離相近的居群聚在一起,另有其他與之距離很遠(yuǎn)的居群與之聚在一起,如鹽源、寧蒗和麗江新主居群形成了一個(gè)小分支,與來(lái)自康定的居群聚為一支;來(lái)自松藩和察隅的居群聚為一支;這2支最后又與來(lái)自麗江文海的居群聚為一大支,與來(lái)自藏東南和川西的其他居群所構(gòu)成的另一大支并列。來(lái)自藏東南和川西的其他居群所構(gòu)成的另一大支也同樣存在類似的情況。由此可見,基于表型性狀的居群間也沒(méi)有根據(jù)種下變種進(jìn)行聚類。
2.3.1 川滇薔薇表型性狀的變異特征 川滇薔薇27個(gè)直接數(shù)量性狀在居群間的差異均達(dá)到極顯著水平(P<0.01,表4)。與葉相關(guān)的性狀在居群內(nèi)的差異均達(dá)到了極顯著水平(P<0.01),而除花序小花數(shù)(FNPI)外,與花相關(guān)的性狀在居群內(nèi)的差異均不顯著(P>0.05)。花序小花數(shù)和皮刺數(shù)量(THN)在居群內(nèi)的變異最大,30個(gè)居群的平均變異系數(shù)分別為59.8%和45.29%,萼片寬(SPW)和葉片小葉數(shù)(LLN)在居群內(nèi)最穩(wěn)定,30個(gè)居群的平均變異系數(shù)分別為11.79%和12.58%。
2.3.2 川滇薔薇群體間的表型分化 川滇薔薇27個(gè)數(shù)量性狀的平均表型分化系數(shù)為66.36%,說(shuō)明居群間的表型變異是川滇薔薇表型變異的主要來(lái)源。刺數(shù)量、近花序葉片小葉數(shù)、萼片長(zhǎng)度的表型分化系數(shù)小于50%,表明這些性狀的遺傳變異主要來(lái)自于居群內(nèi),而其他性狀的遺傳變異則主要來(lái)源于居群間(表5)。
《中國(guó)植物志》和《Flora of China》都認(rèn)可安徽有川滇薔薇的分布[7-8],但王春景等通過(guò)對(duì)有關(guān)資料記錄和標(biāo)本的查看,實(shí)地調(diào)查走訪卻并未采到實(shí)物[19]。本研究所采用的安徽居群采自北京植物所標(biāo)本管(PE)的川滇薔薇標(biāo)本記錄地點(diǎn)?;?個(gè)單拷貝核基因的居群間系統(tǒng)關(guān)系表明,來(lái)自安徽的材料與其他38個(gè)來(lái)自橫斷山地區(qū)的川滇薔薇居群的遺傳距離較遠(yuǎn)。雖然支持率不高,但ML樹、50%的MP嚴(yán)格一致樹均顯示其不屬于川滇薔薇,與川滇薔薇、懸鉤子薔薇、野薔薇和麗江薔薇成為并系。在基于表型性狀的聚類分析和主成分分析中,來(lái)自安徽的材料與其他來(lái)自橫斷山地區(qū)的川滇薔薇相距很遠(yuǎn)。此外,由于有報(bào)道的安徽省內(nèi)分布的薔薇屬合柱組全緣托葉系只有川滇薔薇、軟條七薔薇、瑯琊薔薇(R.langyashanica)和懸鉤子薔薇[19],其中瑯琊薔薇的葉片邊緣有較深的尖銳鋸齒,軟條七薔薇的小葉多為3~5個(gè),且較大、容易識(shí)別,懸鉤子薔薇與川滇薔薇從現(xiàn)有的檢索表中進(jìn)行檢索時(shí)常因葉背有無(wú)毛等容易誤判。因此,川滇薔薇是橫斷山地區(qū)的特有種,安徽沒(méi)有川滇薔薇分布,以前被認(rèn)為是川滇薔薇的來(lái)自安徽的標(biāo)本可能是懸鉤子薔薇。
表3 表型性狀主成分分析中前3位主成分的特征根和特征向量
Stebbins指出,“植物分類引用了亞種、變種、變型等種下單位,這種分類方法所造成的混亂多于它所要澄清的混亂”[20]。其中,變種是指具有形態(tài)生理、遺傳特征差異但在地理分布上可能重疊的群體,有時(shí)也指未弄清地理分布的亞種。
隨著進(jìn)化植物學(xué)的發(fā)展,種下分類越來(lái)越比較客觀地反映出植物各類群間的親緣關(guān)系,尤其是種下分類單位,從居群遺傳和變異的角度闡釋得更加清楚[21]。根據(jù)居群間基于核基因和形態(tài)特征的聚類分析以及形態(tài)特征的PCA分析可知,根據(jù)葉片等表型性狀來(lái)進(jìn)行的川滇薔薇種下分類系統(tǒng)并不能反映其種內(nèi)的遺傳變異。表型聚類除來(lái)自安徽的材料外,其他30個(gè)居群直接聚類成兩大支。第一大支與第二大支的主要區(qū)別在于花序上的花朵數(shù)和小葉片大小。第一大支的花朵數(shù)都在10朵以上,葉片中部和頂端小葉片長(zhǎng)于2 cm,然而居群間基于核基因的聚類既沒(méi)有反映形態(tài)變異,也沒(méi)有按照地理距離進(jìn)行。這可能是由于川滇薔薇主要分布在橫斷山地區(qū)的干暖河谷及其支流河岸,有時(shí)也延伸到海拔3 700 m以下的山坡路邊和灌叢中。雖然河流和峽谷有利于川滇薔薇同一流域的居群間基因交流和遷移,但分布于同一流域不同緯度、不同海拔即使具有相同或相近的遺傳背景(基因型)的居群及個(gè)體,也會(huì)由于對(duì)環(huán)境的適應(yīng)而形成許多不同的形態(tài)特征。
表4 川滇薔薇各居群表型性狀的變異系數(shù)
續(xù)表4
表5 川滇薔薇直接表型數(shù)量性狀的方差分量及群體間分化系數(shù)
表型差異可能并不與潛在的基因突變數(shù)目成比例。性狀的表達(dá)主要取決于性狀本身,取決于是單基因或是多基因控制。此外,對(duì)薔薇屬植物來(lái)說(shuō),其發(fā)育階段、對(duì)環(huán)境的可塑性程度等對(duì)表型差異的影響并非一成不變[22]。唐開學(xué)等分別對(duì)川滇薔薇、峨眉薔薇(R.omeiensis Rolfe)、大花香水月季[R.odorata(Andr.)Sweet var.gigantea(Crép.)Rehd.etWils.]和中甸刺玫(R.praelucens Byhouwer)等分布于云南的居群進(jìn)行基于表型性狀的多樣性研究,結(jié)果顯示,它們的表型在居群間和居群內(nèi)均存在豐富的變異,但不同物種的表型變異與地理距離之間的關(guān)系不同。其中,川滇薔薇在云南省內(nèi)幾個(gè)居群的表型多態(tài)性豐富,變異主要來(lái)源于居群間[23-26]。本研究中,川滇薔薇整個(gè)分布區(qū)30個(gè)居群的27個(gè)表型性狀觀測(cè)值差異均達(dá)到極顯著水平,變異系數(shù)變幅為 11.79% ~5980%。川滇薔薇存在豐富的表型多樣性,表型分化系數(shù)為66.36%,說(shuō)明居群間的表型變異是川滇薔薇表型變異的主要來(lái)源,再次表明在橫斷山地區(qū)因其特殊的環(huán)境特點(diǎn),廣泛分布的川滇薔薇表型在種內(nèi)分化劇烈,居群間存在顯著的表型變異。這種變異是否是其遺傳變異的完全體現(xiàn),尚待進(jìn)一步通過(guò)分子水平的遺傳多樣性進(jìn)行研究驗(yàn)證。
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