植物核DNA含量在全球尺度上的緯度變異式樣及其氣候適應意義
——以菊科植物為例

解 夢,于 晶,郭水良

上海師范大學生命與環境科學學院, 上海 200234

DNA C-值指的是一個物種配子核中沒有復制時的DNA 含量,一個物種的單個染色體組的DNA含量稱為基因組大小[1]。一個物種的基因組大小等于其DNA C-值除于其倍性水平。傳統的觀點認為,DNA C-值(或基因組大小)具有物種的特異性,對于物種來講是高度恒定的,C代表恒定的意思[2]。隨著工作的深入,植物核DNA含量不僅在種間存在著巨大的差異,而且親緣關系近的種類間也存在著巨大的差異[3],并且呈現出分類學、生物地理學、生態適應上的意義[4]。Bennett等發現,一些重要的世界性雜草的基因組要比其它植物的小,惡性雜草的基因組要比一般性雜草的小[3]；郭水良等對中國境內被子植物DNA C-值的統計和測定發現,具有入侵性的植物的DNA C-值往往小于親緣關系相近的非入侵性植物[5- 6]。比利時菊科的Centaurea屬植物 DNA C-值與海拔高度存在正相關關系；部分分類群中,植物核DNA含量隨著緯度、經度、海拔,以及氣溫雨量差異呈現有規律的變化,這可能是DNA 對氣候條件適應的結果[7]。核DNA含量種間差異,被認為是生態位分化的重要原因。例如與鳥類相比,兩棲類不同物種間的 C 值相差更大,這與兩棲類動物生活環境具有極大多變化性有關。同樣,高等植物分類群間極大的核DNA含量差異,也和高等植物生境高度多樣化有關[8]。

但是,關于核DNA含量與地理和氣候因素關系的結論并不一致。早期研究表明核DNA含量與緯度呈正相關[9]；但是Grime和Mowforth發現英國植物區系中169種植物的DNA C-值和緯度之間存在負相關[10]；Razafinarivo等發現,咖啡樹的DNA C-值在馬達加斯加由北向東南、在非洲大陸由東向西均呈增加趨勢[11]; Bottini發現,小檗屬植物(Berberis)二倍物種中,核DNA含量小的類群傾向于分布在降雨大、但是水分可利用性低的高海拔地區,而核DNA含量高的類群則傾向于分布在營養生長期較長、水份可利用性高的中海拔森林區域[12]。也有其他的一些研究發現核DNA含量與環境之間沒有什么相關性[13-14]。

在大多數早期文獻中,核DNA含量與緯度(或海拔)的關系被描述成線性關系。但是,Knight和Ackerly通過分位數回歸分析發現,加州植物區系中,DNA 2C-值大的物種在7月極端高溫過高或過低地區的分布頻度均下降,因此,他們推測核DNA含量與環境因素之間可能存在著非線性關系[15]。李丹丹等發現,中國熱帶到溫帶廣大區域內稗草(Echinochloacrus-galli)種群的核DNA含量與經度、緯度和10個生物因素均存在明顯的非線性關系,大多數情況下均能夠用單峰函數進行擬合[16]。Rayburn和Auger發現具有最高核DNA含量的玉米種群傾向分布于中海拔的環境中,隨著向高或低海拔變化,玉米的核DNA含量呈現下降趨勢[17]。取樣范圍過窄,會影響到人們對核DNA含量與緯度、氣候因素關系的正確認識[16]。但是,核DNA含量與環境因素之間的這種非線性關系是否普通？全球范圍內、在更廣的分類群中核DNA含量與地理和氣候因素之間的關系如何,有待進一步研究。

綜合先前有關核DNA含量與環境因子之間關系的報道發現,早期的工作多數僅涉及個別分類群,或取樣范圍過窄,這可能會影響人們對核DNA含量與環境因子關系的正確認識。菊科是世界性分布的被子植物最大科,該科植物有不少種類已經有核DNA數據和比較詳細的地理分布。本文的目的是,以菊科植物為材料,通過核DNA含量在全球范圍內變化式樣分析,了解大的空間尺度上植物核DNA含量是否存在有規律的非線性的地理梯度變化,以及這種變化是否具有環境適應意義。

1 研究方法

1.1 數據來源

(1)核DNA含量的數據來源

菊科核DNA含量數據來自于被子植物DNA C-值數據庫[18]。基因組大小是DNA 2C-值除于倍性水平[3]。在菊科植物中有822種檢索到了DNA 1C-值數據,有400種已有倍性信息,計算到得了基因組大小。

(2)為定量分析經緯度及氣候因素對菊科植物核DNA含量的影響,在經度方向上分成10條樣帶,每條樣帶橫跨15度,分別為樣帶1至10分別為90°—75°W、75°—60°W、60°—45°W、0°—15°E、15°—30°E、30°—45° E、75°—90°E、90°—105°E、105°—120°E和120°—135°E；其中,第1、2、3樣帶南北方向上涵蓋了北美和南美洲,第4、5、6樣帶涵蓋了歐洲和非洲,第7、8、9和10樣帶涵蓋亞洲和大洋洲。對每條樣帶,再從82.5°N到82.5°S的范圍內均分成22個樣塊,每樣塊在緯度梯度上的區間為7.5度(圖1)。10條樣帶共分成面積一致的220個樣塊。

圖1 10條樣帶位置Fig.1 Location of ten transects

(3)物種地理分布數據來源

822種菊科植物在上述220個樣塊中有無分布的數據來自于全球生物多樣性信息網站(www.gbif.org)。

(4)生物氣候數據來源

10個樣帶中,第5樣帶數據量豐富,隨著緯度菊科植物的DNA C-值呈現有規律的變化。以第五樣帶為對象,進一步分析氣候因素對核DNA含量的影響。首先從世界氣候數據網站下載1950—2000年時間段的14個氣象數據( http://www.worldclim.org,表1),數據的空間分辨率為30 arc- seconds,即每一柵格大致相當于0.86 km2,再應用ArcGIS 9.3獲得以上氣候數據在第5樣帶每樣塊中的平均值。

表1 14個氣候因子

1.2 統計分析

首先獲得每一個樣塊中出現的有核DNA含量數據的菊科植物種類,對出現5種以上植物的樣塊進行統計分析,計算每個樣塊菊科植物平均的DNA 1C-值、基因組大小及其標準誤。

以第5樣帶上每個樣塊平均的生物氣候因子值為自變量(x),以DNA C-值為因變量(y),應用EXCEL作散點圖,發現DNA C-值和緯度,以及和大多數氣候因子呈現非線性關系。進一步計算14個氣候因子之間的Pearson相關系數,發現部分氣候因子之間有很高的相關性,暗示它們之間存在多重共線性(Multicollinearity)問題。由于氣候因子與DNA C-值之間是非線性關系,所以沒有采用常規的多元逐步線性回歸來篩選變量。為避免氣候因子之間的多重共線性對數據分析的影響,首先應用主成分分析對數據進行降維,篩選出前幾個主成分上載荷量最高的氣候因子,再以它們為對象,刪除與它們Person相關系數高的氣候因子,保留與它們相關系數在-0.7至0.7之間的氣候因子。應用XLSTAT軟件擬合DNA C-值與篩選出的氣候因子之間的關系,應用擬合效果最好的函數來反映氣候因子與DNA C-值之間的關系。為反映氣候因子對DNA C-值影響的程度,擬合前各氣候因子采用了極差標準化,使它們的變化范圍均處于0—1之間。

2 結果與分析

2.1 菊科植物核DNA含量的變異范圍

822種菊科植物最大的DNA 1C值為26.15 pg(Sececiopendulus),最小的為0.40 pg(Leontodonlongirostris),平均為4.11 pg；基因組最大的為8.5 pg,最小的為0.19 pg, 平均為2.23 pg。

2.2菊科核DNA含量在全球10個樣帶上的變異趨勢

菊科植物在10個樣帶上的核DNA含量變化分別見圖2。圖2顯示在赤道及附近樣塊中菊科植物核DNA含量有變小趨勢。隨著向南、向北緯度的增高,核DNA含量上升。除了第1條帶上的基因組數據外,其余樣帶上DNA 1C-值和基因組大小與緯度關系均能夠用多項式擬合,達到顯著或極顯著關系。在第一樣帶上,DNA 1C-值與緯度也符合兩次函數關系。

圖2的第1、2、5三個樣帶的少數樣塊,有基因組大小值高于DNA C-值的情況,這可能是樣本來源不同造成。即統計的DNA C-值的種類中,僅有部分有染色體倍性數據,恰好這部分多數是二倍體,而且DNA C-值又比較大(基因組也大,因為對于二倍體植物來講,它們的基因組大小與DNA C-值數據是一致的)。

圖2 全球10條樣帶上菊科植物核DNA含量變化變異情況Fig.2 Variation of nuclear DNA content of Asteraceae species across ten global latitudinal transects

2.3 氣候因素對第5樣帶菊科DNA 1C-值的影響

對樣帶5上14個樣塊對應的14個氣候因子進行主成分分析。結果第1、2主成分的方差分別占總方差的58.9%和28.6%,累計達85.5%。因此選擇前二個主成分作進一步分析。14個氣候因子在前二個主成分上的載荷(表2)。

表2 第5樣帶上14個生物氣候因子在前兩個主成分上的信息負荷量

氣候因子1—14與表1中的相同

第一主成分主要反映了溫度因子(C1—7)信息,其中最冷季度平均溫度(Mean temp. of coldest quarter,7)具有最大的載荷。第二主成分主要反映了雨量因子(C8—C14)信息,其中最干季節雨量(C12)具有最大的載荷。首先選擇這兩個因子,再選擇其他因子,使參與擬合的因子間的相關系數處于-0.7至+0.7之間。最后篩選出了最冷季度平均溫度(C7)、最濕月份雨量(C9)和最干季度雨量(C12)3個氣候因子,進一步分析它們對菊科植物DNA C-值的影響。通過擬合發現,二項式比線性關系能夠更好地描述這3個氣候因子與DNA C-值間的關系(圖3)。

圖3 3個生物氣候因子對第5樣帶上菊科植物DNA 1C值的影響Fig.3 Influences of three climatic factors on DNA 1C-values of Asteraceae on Section 5

為比較三個氣候因子對核DNA C-值影響的大小,進一步擬合DNA 1C-值與三個氣候因子間的非線性關系,得到如下函數：

式中:y為DNA 1C-值,x1、x2和x3分別為最冷季度平均溫度、最濕月份雨量和最干季度雨量。

圖4 3個生物氣候因子對第5樣帶上菊科植物DNA 1C值影響大小的比較Fig.4 Comparison of influences of three climatic factors on DNA 1C-values of Asteraceae on Section 5

最冷季度平均溫度、最濕月份雨量和最干季度雨量均顯著地影響到菊科核DNA C值的大小(圖3)。圖4在同一量綱上比較了第五樣帶上3個氣候因子變化對菊科DNA C-值變化的影響。計算圖4中對應于3個氣候因子變化形成的DNA C-值差異,發現變化的影響程度也不同(圖4),按3條曲線對應數值的極差和標準差,最冷季度平均溫度(Ra=0.75, Sd=0.24)對DNA C-值的影響最大,其次是最干季節的雨量(Ra=0.49,Sd=0.15),最濕月份雨量(Ra=0.40,Sd=0.13)的影響相對較小。就氣候因素來講,那些氣候條件適中的樣塊分布的菊科植物往往具有高的DNA 1C-值最高,隨著氣候條件向兩個極端變化,菊科植物DNA 1C-值呈現出有規律的下降趨勢,統計上絕大多數達到了極顯著的關系。

從以上結果可以發現,在全球尺度上,植物核DNA含量與緯度、氣候因素之間存在顯著的非線性關系。

3 討論

有關核DNA含量影響植物的地理分布和生態適應能力已有不少報道。但是關于核DNA含量與緯度、海拔、氣候因素間的關系卻一直存在著爭議,有正相關、負相關或沒有相關的不同報道,且絕大多數將這種關系描述成簡單的線性關系。先前有關核DNA含量與地理、氣候因素之間關系的矛盾性報道,我們推測可能的原因是研究對象沒有相對一致的遺傳背景,或取樣范圍較窄有關。除了選樣和取材的不足之外,“對核DNA含量與地理氣候因素之間”過于簡單化地理解為僅是線性關系,進而影響到分析方法的選擇,故而得到了相互矛盾的結論,這也可能是原因之一。Knight和Ackerly認為核DNA含量與環境因子間的關系也可能是非線性的[15]。李丹丹等發現,中國境的稗草36個地理種群的核DNA含量與經度、緯度間均存在顯著的非線性關系,可以用單峰函數進行擬合。本文以整個菊科具有核DNA含量數據的種類為對象進行統計,在全球范圍這樣的空間尺度上也證實,植物的核DNA含量隨著緯度呈現出有規律的非線性變化[16]。

3個氣候因子中,最干季節雨量和最濕月份雨量與DNA C-值呈明顯的單峰曲線。隨著最冷季節平均溫度的增加,DNA C-值似有單調遞減的趨勢。但是用二項式函數擬合最冷季節平均溫度和DNA C-值關系的方程式,判定系數R2為0.638,預測值與實測值在0.001水平上顯著相關。但是如果用線性函數進行擬合,判定系數為0.562,擬合效果明顯差于非線性方法。因此,最冷季節平均溫度對DNA C-值的影響也明顯地有非線性特點,曲線呈現出單峰特點。

Levin和Funderburg對335種溫帶植物和67種熱帶植物的DNA 4C-值比較發現,溫帶物種的平均4C-DNA值為27.06pg,而熱帶的平均僅為12.13pg,兩者差異極為顯著,但是他們認為熱帶植物比溫帶植物核DNA含量小的現象并不普遍[9]。他們認為核DNA含量在熱帶與溫帶種類之間的這種差異是由于生物類群發生過程中具有不同核DNA含量大小的類群的地理替代造成,而不是由于適應于環境變化而形成的,也即他們認為核DNA含量的變化并不具有氣候適應的意義。但是本文發現3個生物氣候因素顯著地影響到菊科植物DNA 1C-值,應用單峰函數能夠很好地解析生物氣候因素與核DNA含量之間的關系。李丹丹等也發現,稗草核DNA含量的種下變化也極明顯地受氣候因素的影響。因此,核DNA含量這個指標具有明顯的生態適應意義[16]。

對10個樣帶上的菊科植物核DNA含量變化分析發現,位于或接近赤道的樣塊,其上分布的菊科植物核DNA含量有下降的趨勢,這種現象在第2、5樣帶上比較明顯。Bennett也發現熱帶栽培的豆科和禾草類植物具有較小的基因組[19]。這種現象的原因可能與生態位寬窄有關。Stebbins認為,與溫帶性種類相比,熱帶地區的物種往往分布在較窄氣候變化范圍的環境中,從而要求更少的基因[20]。重復的結構基因使得溫帶植物具有更寬的生態位,從而加大了核DNA含量。但是在趨向兩極的環境中,由于生長季節縮短,或者環境單一,使核DNA含量也有下隆趨勢。Vidic等也認為基因組大的植物并不適合于生長在極端環境中[21]。

單峰模型經常用來解析生物分布與環境因子之間的關系[22]。一個從溫帶到熱帶的分布的物種往往有最適生長的地理區域和對應氣候條件,并有對應的形態性狀和核DNA含量。因此,核DNA含量與地理、氣候因素之間的關系理論上能夠用單峰模型擬合。核DNA含量又是如何影響植物的形態特征的？前人研究表明,核DNA含量小的植物,染色體、細胞核、細胞也均小,細胞分裂速率相對較高。核DNA含量小的植物生活史長更短、種子變大、幼苗生長速率變高[23-24],單位面積葉重增加,代謝速率提高[25]。核 DNA 既可以通過遺傳物質的表達,也會通過核 DNA 本身的重量及體積的物理作用影響。顯然,細胞大小、體積、重量及發育速率跟非編碼的DNA含量變化有關,說明他們在本質上存在因果關系．而且細胞水平上的核型效應是可加成的,可擴展到對多細胞組織結構的大小、重量、發育速率的影響。基因組大小與在細胞水平上的表型(如細胞大小,保衛細胞長度,表皮細胞面積等)存在著較強正相關[26]。因此,核DNA含量的生態適應價值有理論上的基礎。

菊科植物是世界性大科,而且是一個相對自然的分類群,具有比較一致的遺傳和進化背景,而且本文又是在全球范圍的10個樣帶上進行的數據分析,結果有一定的普遍性。但是作為高度多樣化的植物類群,其他類群核DNA含量的地理變化式樣,以及與氣候因素間的關系,尚需要在更多類群中開展研究,以進一步明確本文發現的菊科植物核DNA含量地理變異規律及其與氣候因子之間的關系在整個高等植物中是否具有普遍性。另外,由于數據來源問題,本文主要分析了緯度梯度上菊科植物核DNA含量的變化及其可能的氣候因素。對于核DNA含量在全球范圍內與經度、海拔因素的關系,也是今后進一步研究的內容。

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