濒危植物短叶黄杉种群结构动态与系统发育分析

来源 :贵州师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lfszlfs2009
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短叶黄杉(Pseudotsuga brevifolia)隶属于松科黄杉属(Pseudotsuga),因其数量稀少而被列为国家二级保护植物,其在喀斯特山顶地段有良好的适应性,但因其树木材质优良,被砍伐破坏量大且生长缓慢,现呈零散分布。本研究调查了黔西南至广西河池地区与广西南部地区分布的两个短叶黄杉集群,通过划分龄级结构、编制静态生命表、绘制存活曲线与生存函数曲线,揭示短叶黄杉种群结构及动态特征,以探索喀斯特地区短叶黄杉种群的生长状态、发展趋势与维持机制,为种群的保育保护提供理论依据,也对今后喀斯特地区的植被恢复工作具有重要意义。叶绿体基因组结构简单、分子量小、进化速率慢、包含大量的遗传信息,因此在物种鉴定、基因转化、系统发育进化等方面具有独特优势。我们对短叶黄杉叶绿体基因组进行了测序、组装、基本结构分析、近缘种比较基因组学分析与基于叶绿体基因组数据进行松科植物系统进化树重建,对短叶黄杉进行系统发育分析。这些研究丰富了基因组数据库,为其种属间系统发育研究、分子标记开发、叶绿体转化技术以及其濒危状态的分析与保护建议提供重要数据和理论参考。结果如下:(1)两个地区的短叶黄杉种群自我更新能力均较差,幼龄和老龄阶段株数都较少,且广西西南地区幼龄数极少;两个地区种群均为衰退型,广西西南地区衰退更为严重;通过存活曲线分析得出,两个地区的短叶黄杉种群均为Deevey-Ⅱ型,黔西南到广西河池地区种群的第Ⅴ-Ⅵ龄级与第Ⅸ-Ⅹ龄级阶段种群存活数下降最快,死亡率最大,广西西南地区短叶黄杉种群第Ⅳ-Ⅴ龄级期间种群存活数下降最快,死亡率最大;由生存函数曲线分析得知,黔西南到广西河池过渡地区短叶黄杉种群的特点是:前期死亡率高,基础薄弱;中、后期衰退,种群生存力较低,处于衰退的状态。广西西南地区短叶黄杉种群同处于衰退状态,且与前者短叶黄杉种群相比衰退期更早。(2)短叶黄杉叶绿体全基因组整体呈典型的四体分结构,全长122348bp,LSC全长66627bp,SSC全长54863bp,IR区全长858bp;全长GC含量占总碱基数的37.64%,LSC区GC含量占总碱基数的37.95%,SSC区GC含量占总碱基数的39.64%,IR区GC含量占总碱基数的37.06%。短叶黄杉叶绿体基因组中基因总数为114,其中蛋白编码基因73个,t RNA基因37个,r RNA基因4个,内含子8个。结构与大多数裸子植物相似。(3)短叶黄杉叶绿体基因组共检测出29个SSR,其中单核苷酸位点最多。检测出短叶黄杉叶绿体基因组中正向重复62对,占所有重复序列总数的77.5%,回文重复序列有12对,没有反向重复与互补重复序列。短叶黄杉共编码20442个密码子,使用频率最高的密码子是编码谷氨酸(Glu)的GAA,数量为850个(4.16%),使最少的密码子是编码甲硫氨酸(Met)的GUG,数量仅为1个。亮氨酸(Leu)的编码率最高,编码半胱氨酸(Cys)是编码率最低的氨基酸。(4)通过同科近缘物种的叶绿体基因组基本特征比较分析得出,短叶黄杉叶绿体基因组全长与各段长度基本处于中间水平,但叶绿体全基因组整体GC含量最低(37.64%),t RNA数最多。叶绿体基因组序列间的比较分析结果表明,短叶黄杉与近缘种的IR区均较保守,编码区的保守性大于非编码区。对叶绿体基因组进行重排结果表明,短叶黄杉和黄杉、云杉、梵净山冷杉区段的排列较为一致,结构较为相似,表明这几个物种的叶绿体基因组未发生重排。金钱松、云南松、银杉、铁坚油杉、铁杉、长苞铁杉存在许多部分序列缺失、倒置与重排,与短叶黄杉差异较大。IR区扩张与收缩分析结果表明:短叶黄杉IR区分布的基因与其他物种有所不同,其余边界基因分布均差别较小,短叶黄杉IR区未发生明显的扩张与收缩。(5)通过不同数据集重建短叶黄杉的系统进化树,两种拓扑结构均表明,与短叶黄杉亲缘关系最近的植物为欧洲落叶松(Larix decidua),且均获得较高的自展值支持,冷杉属、油杉属、金钱松属、雪松属的物种聚成同一支,表明这五个属相关物种亲缘关系较近,且黄杉属与这一支亲缘关系较近。共同编码序列中,松属物种与松科其余全部物种分为了两大支,而全基因组中松属与云杉属构成姐妹类群,猜测可能是由于裸子植物编码序列的变异或缺失较大导致松属物种在不同数据集下产生聚类差异。
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