冷杉屬植物遺傳多樣性研究進展及面臨的問題

孫玉平

摘要介紹了國內(nèi)冷杉屬植物的地理分布，同時對國內(nèi)外冷杉屬植物遺傳多樣性的研究進展進行了分析，總結(jié)了國內(nèi)外對冷杉屬植物遺傳多樣性不同水平的研究情況，提出了冷杉屬植物遺傳多樣性研究中存在的問題，并提出了今后的研究方向。

關(guān)鍵詞冷杉屬植物；分布；遺傳多樣性；研究方向

中圖分類號S791.14文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）20-0137-04

AbstractThe geographical distribution of Abies in China was introduced，the research progress of genetic diversity of Abies plants at home and abroad was analyzed，the research status of genetic diversity of Abies in different levels at home and abroad was summarized，the existing problems in the study of Abies were put forward and the future research direction was put forward.

Key wordsAbies；Distribution；Genetic diversity； Research direction

冷杉（Abies）是松科（Pinaceae）中的第二大屬植物，常綠喬木，主要分布于北半球，生長在亞、歐、美和非洲北部的冷杉屬植物約48種，在我國20個省份分布約22種3個變種，其中百山祖冷杉（Abies beshanzuensis）、梵凈山冷杉（Abies fanjingshanensis）、元寶山冷杉（Abies yuanbaoshanensis）、資源冷杉（Abies ziyuanensis）等分布狹窄，且種群數(shù)量少，已被列入國家一級保護名錄，泰嶺冷杉（Abies chensionsis）分布相對較少，被列入國家二級保護名錄，而黃果冷杉（Abies ernestii）、長苞冷杉（Abies georgei）等分布相對較多[1]。筆者對多種冷杉屬植物特別是瀕危冷杉屬植物遺傳多樣性研究進展進行了綜述，分析了存在的問題，并展望了未來。

1冷杉植物種類及地理分布

冷杉性喜寒冷濕潤氣候，主要物種垂直分布在北半球，大部分分布在北美洲和中美洲、亞洲、歐洲，在非洲北部有極少數(shù)種類分布。研究表明，我國冷杉屬植物共有28種[含變種和引進栽培的日本冷杉（Abies firma）][1]。我國是世界上冷杉屬植物種類最為豐富、分布地域最廣的國家，冷杉屬植物在我國20個省份零散分布，橫斷山脈分布相對較多，冷杉屬植物地理分布見表1，其中特有冷杉20種，國家一級重點保護野生冷杉植物4種，國家二級重點保護野生冷杉植物1種（表2）[2]。由于冷杉屬植物對生長環(huán)境要求嚴格，分布地域跨度大，北起大興安嶺，分布最北的種是新疆冷杉；南至高黎貢山，分布最南的是臺灣冷杉；西自天山，分布最西的是察隅冷杉；東迄臺灣，分布最東的是杉松王；冷杉屬植物呈現(xiàn)由北向南的間斷分布，其中又以川西滇北橫斷山區(qū)的分布最為集中，是構(gòu)成亞高山暗針葉林的建群種[2-3]。歐洲南部、北美和東亞這些領(lǐng)域的冷杉屬植物具有豐富的化石記錄。冷杉屬植物的垂直分布范圍很廣，從海平面一直分布到4 700 m的高山。但集中分布在

1 000～2 000 m（15種）和2 500～4 000 m（13種）2個海拔段[3]。冷杉屬植物地方性和遺跡現(xiàn)象比較明顯，在白堊紀中期起源于北半球的中、高海拔地區(qū)，第四紀冰期的氣候驟變對冷杉的分布有極大影響[4]。

2研究價值

冷杉屬植物具有重要的研究價值，主要表現(xiàn)在以下幾方面：①冷杉屬植物對于植物地理分布、系統(tǒng)演化、古氣候和古地理等研究具有重要意義[5]。②冷杉屬植物不僅是重要的森林植被，而且可作為人造板、造紙業(yè)的優(yōu)質(zhì)原料，也常用作枕木、橋梁、船舶、建筑等原材料。③冷杉樹脂可以用作制切片和精密儀器等的最好膠接劑；再者，冷杉葉片和樹皮中提取的精油可用作化妝品（如香水）或洗漱用品（如香皂、牙膏）的配料[6]。④冷杉精油某些成分還能夠抑制癌細胞正常生長，具有抗腫瘤活性[7]。

目前，對冷杉屬植物研究主要集中在資源調(diào)查、種群結(jié)構(gòu)評估、分類與鑒定、生境因子影響、精油提取與醫(yī)療保健等方面。然而，有關(guān)冷杉屬植物分子生物學研究報道不多。

3冷杉屬植物遺傳學多樣性國內(nèi)外研究進展

20世紀60年代，國外科學家已經(jīng)著手對冷杉屬植物進行遺傳多樣性研究。當時的研究主要從形態(tài)學水平、染色體水平、同工酶水平等探索冷杉的遺傳多樣性等。20世紀80年代，隨著分子生物學及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，冷杉屬植物遺傳多樣性研究逐步進入到核酸水平。

Ziegenhagen等[8-9]研究了銀冷杉葉綠體DNA的限制性位點多態(tài)性，認為銀冷杉間存在較高遺傳多樣性，同時通過對冷杉雌配子和花粉DNA研究也發(fā)現(xiàn)了較高的遺傳多態(tài)性現(xiàn)象。Hayashi等[10]通過庫頁冷杉（Abies sachalinensis） 細胞器 DNA 多態(tài)性研究，發(fā)現(xiàn)冷杉種群間具有豐富的遺傳差異。 Suyama等[11]借助葉綠體基因（rbcL，matK）序列對日本冷杉在內(nèi)的24 個冷杉種進行分析，確定了日本冷杉的種系位置。Parducci等[12]研究了冷杉（Abies nebrodensis）和 3 個相鄰冷杉（Abies alba，Abies numidica 和 Abies cephalonica）種間葉綠體微衛(wèi)星的遺傳多樣性，結(jié)果表明，冷杉和其他3種冷杉種有明顯區(qū)別，可以作為一個獨立的分類系統(tǒng)，并且由于遺傳多樣性降低，該種在最近2個世紀經(jīng)歷了一個遺傳瓶頸。Shih等[13]運用核基因及葉綠體微衛(wèi)星cpSSR 標記，評估臺灣冷杉屬植物 Abies kawakamll （Pinaceae） 遺傳變異時指出：造成 Abies kawakamll 分布狹窄的原因是其低分化水平、單倍型數(shù)量少。向巧萍等[14]通過PCR技術(shù)擴增了28 種冷杉屬（Abies）植物nrDNA的ITS（包括ITS1、ITS2和5.8S rDNA）片段，經(jīng)過和某些類群 ITS 的全序列比對和部分序列測定，發(fā)現(xiàn)分布于墨西哥和2種北美冷杉屬植物ITS片段長度約為2 500 bp，而分布于歐亞大陸和其他北美冷杉植物ITS長度約為1 700 bp，二者相差約800 bp。該研究結(jié)合形態(tài)學性狀和地理分布資料，初步探討了ITS 長度變異這一性狀在冷杉屬植物系統(tǒng)演化中的意義，并運用 ITS 技術(shù)探討了松科屬間和屬下系統(tǒng)演化關(guān)系的可行性和局限性。Xiang等[15]對31個冷杉核糖體轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)（ITS）進行完整分析并構(gòu)建冷杉屬植物種系發(fā)生樹，揭示了松科植物都存在3 個小的亞重復基序（5′-GGCCACCCTAGTC-3′），而冷杉屬植物還存在1個特異大重復（298 bp），該研究證實了前人所鑒定的9個種，并把 Abies Oiamel 和 Abies Grandis歸并為1個種，種系樹分析支持美州西北部單系種的存在，而亞、歐種系也存在密切關(guān)系。闞顯照等[16]以長苞鐵杉預測nrDNA內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)及5.8S轉(zhuǎn)錄本的二級結(jié)構(gòu)，分析了功能拷貝與假基因化拷貝2種類型結(jié)構(gòu)上的差異。Pawlaczyk等[17]從銀杉家系分化出來的Abies alba利用核微衛(wèi)星DNA及同工酶分子標記手段研究得出自交后代嚴重發(fā)生了遺傳分化，得出這種遺傳結(jié)構(gòu)的模式很可能是惡劣的環(huán)境條件施加的選擇壓力以及人為的破壞導致種群遺傳結(jié)構(gòu)的改變。Wojnickapótorak等[18]利用線粒體DNA標記和核DNA微衛(wèi)星確定了挪威云杉遺傳結(jié)構(gòu)與多種因素有關(guān)，如花粉和種子的傳播模式、樹木的密度、過去的繁殖發(fā)作、立地條件和選擇性、不同的生命階段、群體遺傳結(jié)構(gòu)。

以上從葉綠體DNA及nrDNA的ITS 等方面探究了不同冷杉屬植物的遺傳變異、種系發(fā)生地位、堿基拷貝上的結(jié)構(gòu)差異等，為研究者提供了很好的借鑒。也從影響遺傳多樣性、遺傳結(jié)構(gòu)等的因素上進行了研究，使得冷杉屬植物的研究更加全面、具體。上述研究利用不同的分子技術(shù)，從不同側(cè)面對不同地域的冷杉屬植物進行了研究，積累的相關(guān)數(shù)據(jù)為后續(xù)系統(tǒng)地開展冷杉屬植物遺傳資源分類、基因組結(jié)構(gòu)分析、種質(zhì)資源保護等奠定了理論基礎(chǔ)。

瀕危冷杉植物分子研究相對薄弱。前人研究認為，資源冷杉（Abies ziyuanensis）遺傳分化主要存在于居群間，資源冷杉種群內(nèi)遺傳多樣性較低，其瀕危原因可能是種群內(nèi)遺傳多樣性較低等，而且他們指出，資源冷杉部分居群間已經(jīng)產(chǎn)生自交[19-22]；元寶山冷杉種群遺傳多樣性水平低，種群內(nèi)個體間遺傳相似系數(shù)較高，無明顯亞種群間的遺傳分化等[23]；秦嶺冷杉遺傳結(jié)構(gòu)相對比較復雜，其瀕危原因可能是3個居群嚴重自交，并提出相關(guān)保護策略[24]，秦嶺冷杉種群間較高遺傳多樣性和較低遺傳分化水平，導致生境片斷化對秦嶺冷杉產(chǎn)生負面遺傳影響[25]；張廣榮[26]認為，梵凈山冷杉居群曾經(jīng)歷遺傳瓶頸效應，導致種群內(nèi)自交現(xiàn)象比較嚴重。百山祖冷杉在5種我國特有冷杉屬植物中遺傳多樣性水平最低（從大到小依次為資源冷杉、元寶山冷杉、梵凈山冷杉、大院冷杉、百山祖冷杉）。種群數(shù)量有限、遺傳多樣性程度低，可能是導致百山祖冷杉瀕危的主要原因[27]，這種現(xiàn)象將會導致種群衰退、遺傳多樣性恢復困難，不利于百山祖冷杉種群的可持續(xù)發(fā)展。

上述研究利用不同的分子技術(shù)，從不同角度對不同地域的冷杉屬植物進行了研究，積累的相關(guān)數(shù)據(jù)為后續(xù)系統(tǒng)地開展冷杉屬植物遺傳資源分類、基因組結(jié)構(gòu)分析、種質(zhì)資源保護等奠定了理論基礎(chǔ)。

4面臨的問題

學者從形態(tài)學水平、染色體水平、酶水平等方面，更加深入地進行了研究，分子水平上的研究越來越豐富，對瀕危植物也開展了就地保護、繁育試驗（種子繁殖、扦插、嫁接等）、生境因子影響等研究，積累了相關(guān)數(shù)據(jù)并提出了瀕危冷杉屬植物的保護措施。但是，冷杉屬植物特別是瀕危冷杉屬植物研究仍面臨以下問題：

4.1種系發(fā)生地位不明確，在分類學上存在爭議

冷杉屬種系發(fā)生地位一直是學者感興趣的內(nèi)容。Li等[28]通過形態(tài)學分析認為，資源冷杉為百山祖冷杉的變種；饒龍兵[27]利用生物芯片技術(shù)對我國特有的5種冷杉群體進行研究時指出，資源冷杉、元寶山冷杉、大院冷杉遺傳距離最近，與百山祖冷杉次之，而與梵凈山冷杉遺傳距離最遠。朝鮮冷杉、臭冷杉的遺傳地位也一直未得到明確定義，Hong等[29]利用微衛(wèi)星開發(fā)了冷杉的多態(tài)性微衛(wèi)星位點，Abies koreana和Abies Nephrolepis的平均期望多樣性為0.767和0.717，說明兩者的親緣關(guān)系非常近，但是兩者的種系地位有待進一步研究，為群體遺傳學研究提供了理論支持。目前，很多研究冷杉屬植物的種系地位，但是仍缺少明確的種系地位分類，分子水平上的分類和形態(tài)學上的分類有許多不一致的地方有待進一步研究。

4.2遺傳多樣性程度低

我國特有冷杉屬植物普遍存在遺傳多樣性水平低的現(xiàn)象，5種瀕危植物（資源冷杉、元寶山冷杉、梵凈山冷杉、大院冷杉、百山祖冷杉）的遺傳多樣性都很低。遺傳多樣性水平低也是導致其進一步瀕危的主要原因，這種現(xiàn)象將會導致種群衰退、遺傳多樣性恢復困難，不利于瀕危種群的可持續(xù)發(fā)展[27]。

4.3分子技術(shù)研究薄弱

前人研究利用現(xiàn)代分子技術(shù)手段，初步揭示了冷杉屬植物的遺傳變異水平，為后續(xù)進行冷杉屬分子研究積累了一定數(shù)據(jù)。但是他們采用的技術(shù)過于單一、積累的數(shù)據(jù)信息有限，因此對冷杉屬植物的研究還需要更多分子試驗證據(jù)來支持。

5展望

長期以來，對冷杉屬植物遺傳多樣性的研究主要從表型形態(tài)和生理性狀作為遺傳標記進行，隨著分子標記技術(shù)的發(fā)展，學者從核酸水平上對冷杉屬植物進行的研究較多。主要對ITS、葉綠體、微衛(wèi)星等技術(shù)進行了研究，技術(shù)比較單一、代表信息量不足。隨著分子標記技術(shù)應用的廣泛，植物品種鑒定、遺傳多樣性研究和系統(tǒng)演化分析等越來越多地應用到 RFLP、SSR、RAPD、AFLP、SRAP 和 ITS等分子標記技術(shù)中[30-31]，AFLP和ITS等技術(shù)也已經(jīng)成功應用于冷杉屬植物研究中。今后應利用2種及以上分子標記技術(shù)

研究冷杉屬植物。每種研究方法都各有優(yōu)點和不足，結(jié)合多種分子標記方法進行研究，得出的研究成果將更具有可靠性，這將為保護和利用冷杉屬植物資源提供極為重要的科學理論依據(jù)。

通過對冷杉屬植物的研究進展分析得出該屬植物瀕危的一個重要原因是遺傳多樣性水平低，因此，該研究認為保護冷杉屬植物不僅要建立保護基地，還要對冷杉種子進行定期采摘，進行稻草覆蓋等措施提高種子發(fā)芽率。加強冷杉種群結(jié)構(gòu)的研究，避免近親雜交，優(yōu)化親本組合等。

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