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物种是生物长期进化的产物,是生物分类的基本单化,它是由居群/种群或居群系统构成的一个生物复合体。任何物种都是以居群的方式存在于自然界中,生物通过居群所承载遗传信息的变化而驱动生物的演化。因此,要阐明生物进化的过程、式样和机理,须首先探讨居群遗传结构及其成因。一个物种所具有的居群遗传结构是长期进化的产物,也是其进一步适应和发展的前提。影响居群遗传结构的因素很多,其不仅受自然选择、随机的遗传漂变、基因流和突变的影响,同时还与居群的进化历史、物种的生物学尤其是繁殖生物学特性密切相关。
两型豆Amphicarpaea edgworthii Benth.是目前已知的几十种进化出独特的地上地下异果性、具有混合型繁育系统的物种之一。本研究中,本人以两型豆为研究材料,以居群遗传结构及其成因为切入点,利用形态学、生态学、分子生物学等研究手段和方法,对该物种的遗传多样性、空间遗传结构和繁殖策略进行了较为深入的研究,试图揭示两型豆的居群遗传结构、成因以及混合型繁殖策略的适应意义。主要研究结果如下:
1.为了获得精确的两型豆居群遗传结构信息,本人利用随机性扩增微卫星方法(Random Amplified Microsatellites,RAMs)在两型豆中成功筛选出11个多态性较好的SSR位点,这也为遗传背景不详物种的SSR位点开发提供了一种有效的手段。
2.利用SSR分子标记,本人对全国范围内19个居群498个个体进行了遗传分析,结果发现我国境内的两型豆具有较高的遗传多样性(HE=0.732),居群间发生了较显著的遗传分化(FST=0.578),居群遗传结构与其地理分布格局总的看来呈一定相关性,其相关系数为0.307(P=0.019)。
3.根据对两型豆11个居群217个个体的叶形分析,结果显示叶形在居群间已出现比较明显的分化,但与遗传分化不存在显著的相关关系r=0.260(P=0.069)。4个居群的同质种植实验表明,12个叶形性状中5个的QST值远高于基于SSR的FST值,这表明两型豆居群的遗传分化和叶形性状受到不同进化力量的影响,地方性选择在叶形性状的分化中起到了更为关键的作用。
4.为了探讨不同类型种子的散播机制及其对后代种群建成的影响,本人利用SSR标记对北京小龙门地区两型豆居群进行了区域性的精细空间遗传结构(Spatial GeneticStructure)分析,结果发现4个居群及其地上、地下种子的后代亚居群都存在显著的空间遗传结构,相关性指数分别是0.142—0.345和0.147—0.386。研究还发现相邻居群的基因流主要由地上种子作为载体,地上和地下种子在基因流和种群建成中起到不同的作用。
5.为了揭示两型豆两型性果实和种子的适应意义,本人在北京小龙门地区进行了为期三年的野外种植和观察实验,结果发现地下种子萌发的植株在各项生长指标上都显著高于地上种子萌发的植株(P<0.001),地下种子和地上种子萌发的植株在繁殖阶段对地上种子和地下种子的资源分配表现出非常显著的差异(P<0.001)。地上种子萌发的植株在地下种子上的资源分配为25.30%,而在地上种子的仅为0.20%;地下种子萌发的植株在地下种子的资源分配为26.40%,而在地上种子的为9.90%,这说明生长势较弱的地上种子萌发的植株首先保证地下种子的生产,很少产生地上种子,而生长势较强的地下种子萌发的植株在生产一定量的地下种子的同时,也会在地上种子的生产投入相当的资源。
6.为了解两型豆地下茎的早期发育情况,本人对两型豆的胚进行了石蜡切片,观察其地下茎发育前的子叶腋芽原基,同时与大豆、菜豆胚进行了比较分析,结果表明三者的原基发育顺序为菜豆早于大豆,大豆早于两型豆。但在后期的栽培中,只有两型豆的子叶腋芽原基继续发育,而大豆、菜豆的子叶腋芽原基在正常情况下处于休眠状态,只有在主茎被去除后才开始发育。
7.两型豆地上、地下茎的转化实验表明:在地上茎存在的情况下,地下茎不可能转变为地上茎,而在地上茎不存在的情况下,地下茎在一定的发育时期内可以转变为地上茎;地上茎在一定条件下,如埋土等,也可转变成地下茎。
总之,富含营养物质而又对水分敏感的地下种子能够在每年的生长季及时萌发,继而成为生长势较强的植株,占领生态位,产生保障居群基数的地下种子和大量的地上种子;而具有较少营养物质又难于萌发的地上种子虽形成生长势较弱的植株,但能产生保障数量的地下种子,在次年的生长季中产生基本保障数量的地下种子和多量的地上种子。也就意味着经过1年的生长季,1粒地上种子能够成功变身为1粒地下种子,而且AS有硬实的种皮保护,具有更强的逆境耐受能力,且能够借助弹射的果皮进行较长距离的传播。地上种子和地下种子这种精妙的配合,大大提高了两型豆的适应能力。