馬褂木遺傳多樣性研究進展

詹定舉 黃家華

摘? ?要? ?馬褂木為木蘭科鵝掌楸屬鵝掌楸亞科，屬于國家二級保護珍稀樹種。研究馬褂木的遺傳多樣性，有利于種質資源保護工作的開展。從形態學水平、細胞學水平、等位酶水平和DNA分子標記水平等方面綜述了馬褂木遺傳多樣性研究進展，并提出馬褂木種質資源保護建議。

關鍵詞? ?馬褂木;遺傳多樣性;研究進展

中圖分類號：S792.21? ? 文獻標志碼：C? ? DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.4.005

馬褂木為木蘭科鵝掌楸屬鵝掌楸亞科，屬于我國二級保護珍稀樹種。葉形奇特美觀，是公園、城鎮綠化中的珍貴觀賞樹種，也可作庭蔭樹和行道樹，木材可作建筑、家具等用材，樹皮可入藥。鵝掌楸亞科有兩個種，一種葉形似馬褂，俗稱“馬褂木”，主要分布在我國11個省84縣，東界、西界、南界和北界分別為浙江省青田縣（120°17′E）、云南省金平（103°15′E）、云南省金平縣（22°37′N）和陜西省紫陽縣（32°38′N），分布區大致可分為東、西兩個亞區;另一種是北美鵝掌揪，分布在美國中西部和加拿大東南部。鵝掌楸為落葉大喬木，速生，木材品質較好，桿型挺直，花型花色與郁金香相似，而被譽為“中國郁金香木”[1-5]。研究馬褂木的遺傳多樣性，有利于種質資源保護工作的開展。

1 遺傳多樣性

1.1 遺傳多樣性的概念

遺傳多樣性是物種選育潛力的重要條件，是生物進化潛能的保障，是采用遺傳學、保護生物學和分子生物學的相關理論和方法對生物遺傳性狀變異進行深入研究的基礎[6]。遺傳多樣性是指物種內部和物種之間的全部遺傳信息總和[7]。通常所說的遺傳多樣性是指種內遺傳多樣性[8]。

1.2 遺傳多樣性研究方法

近年來生物技術迅速發展，對遺傳變異的分析手段也不斷進步，從形態學水平、細胞學水平、生物化學水平逐漸深入到分子水平[9]。最為精確的是從分子水平研究，因為一切形態表現都是以遺傳為基礎[10]。生物多樣性以往多從細胞學水平開展研究，如染色體的變異研究，但是染色體上包含了許多基因，通過形態標記或染色體變異研究難以發現其內部基因變化細節，尤其是染色體數目相同、形態相似的種或種群的個體之間，只從形態學和細胞學方面研究遺傳多樣性就會失去分辨力[11]，而從生物化學和分子水平研究可以彌補這些不足。

2 馬褂木遺傳多樣性研究進展

2.1 形態學水平

形態標記是研究物種遺傳多樣性較為原始和簡易的一種方法。通過科學規范的采樣方案，運用數理統計方法，對形態特性進行研究，揭示這些性狀的遺傳變異規律[12]。植物外部特征特性即為形態標記，比如樹高、胸徑、冠幅、花型、粒色、千粒重等，比較簡單直觀。種質資源鑒定及育種材料的選擇一直以來通過形態標記來研究，但形態標記有著數量少、多態性差和易受環境條件干擾等不足[13]。對于林木研究，還具有周期長的缺點。

劉玉壺利用形態標記手段研究中國馬褂木，結果發現中國馬褂木是原始的，而北美鵝掌楸是次生的[14]。中科院昆明植物所的韋仲新等研究馬褂木的形態特性，觀察到北美鵝掌楸花粉壁具有皺疣狀紋飾，中國馬褂木具穴網狀紋飾。根據植物演化規律也證實了這一觀點[15]，多數人也接受這一觀點。李周岐等對中國馬褂木、北美鵝掌楸及其雜交組合F1的13個性狀進行研究，結果表明，單花雄蕊數（NS）等9個性狀在類群間存在顯著或極顯著差異，聚合果長度（LF）等11個性狀在類群內個體間存在極顯著差異，這說明了類群內遺傳變異水平高[16]。另有學者對結實率與花部數目性狀進行研究，發現結實率與花部數目存在顯著變異，在聚合果、單株和居群三個水平上結實率存在較顯著差異[17]。徐進等以北美鵝掌楸、馬褂木和種間雜交組合為研究對象，研究發現，花朵大小與顏色、雄蕊花藥、雌蕊柱頭和花粉活力性狀在種間存在顯著差異，雜種鵝掌楸花粉活力在株間存在顯著差異，樹冠上層花的花粉活力與下層花存在顯著差異[18]。李周岐等研究鵝掌楸23個種間雜種家系2a生苗木生長性狀，發現苗高和地徑在家系間存在極顯著的差異[19]。于靜對鵝掌楸、北美鵝掌楸和雜交F1的花果共11個數量性狀進行分析，發現花被片長度等10個性狀在三大類群間存在顯著差異[20]?；堇闹袊R褂木形態特性方面研究，結果發現，種實性狀、葉型、光合特性、花器官在群體內達顯著變異水平，群體間顯著分化[21]。由此看來，形態標記在林木遺傳多樣性研究上是比較常用且簡便易行的方法。

2.2 細胞水平

染色體是遺傳物質DNA的載體，染色體變異必然引起遺傳變異的發生。染色體變異研究主要是在細胞分裂時期觀察研究染色體的數目、形態特征和染色體帶紋，即常說的核型分析和帶型分析，在植物科屬間的系統分類、進化演變研究上應用較多。目前對鵝掌楸的核型研究少見報道。李秀蘭等通過核型分析方法研究木蘭科屬，研究得出，8個木蘭科屬（包括鵝掌楸屬）的染色體相對長度在木蘭科屬間存在一定的差異，最大染色體和最小染色體的數目均有差異，在結構上，盡管它們很相似，但是木蘭科中染色體結構還是發生了不那么明顯的趨異分化[22]。根據Stebbins的核型分類得出A型比B型原始，李秀蘭等研究發現只有鵝掌楸屬和含笑屬于比較原始的2A型，在系統上與其他屬存在明顯的隔離，在形態上屬最衍生的，都表現為原始類型?；堇︸R褂木cpDNA進行研究，結果發現馬褂木cpDNA單倍型存在明顯的東、西部地理分布格局，以福建與浙江交界的武夷山北麓中山地帶為東部的單倍型分布中心，以重慶、貴州、湖南、湖北交界的中山地帶為西部的單倍型分布中心，東、西部兩區域內共有多數單倍型，推算東、西部的馬褂木可能起源于不同的避難所，西部區域的避難所可能位于云高高原和四川南部，東部區域可能為武夷山南麓。推測冰期后東、西部兩區域的馬褂木向不同方向擴散，在重慶、湖北、貴州、湖南交界的地帶交匯，因而這些交匯地帶存在著豐富的單倍型，其多樣性非常豐富[21]。

2.3 等位酶水平

等位酶分析方法是檢測遺傳多樣性最普遍有效的方法之一，是在種質資源研究中應用廣泛的技術。其中心法則：當DNA鏈上結構基因發生點突變時，一個或多個核苷酸發生了置換，會導致它編碼的氨基酸突變，從而影響蛋白質構型[21]。

20世紀90年代，Parks和Wendel利用等位酶標記和RFLP技術，對中國馬褂木和北美鵝掌楸進行遺傳分析，得出中國馬褂木每位點平均等位基因數為1.5，多態位點百分率33%，平均期望雜合度0.1153，北美鵝掌楸分別為18、56%和0.192，這表明前者的遺傳多樣性水平低于后者。朱曉琴等利用等位酶方法進行研究，結果表明，中國馬褂木種內遺傳多樣性水平高，遺傳變異的20.6%分布在居群間，79.4%分布在居群內;在變異水平和基因交流方面，西部高于東部;在居群間分化程度方面，西部低于東部;隨緯度增加，其變異水平呈遞減規律，構成南高北低的格局。

2.4 DNA分子標記水平

近年來分子標記技術發展非常迅速，可用于生物遺傳多樣性研究的分子標記越來越多，是繼形態標記、細胞標記和等位酶標記之后發展起來的一種較為理想的遺傳標記方法[13]。目前基于PCR的有RAPD、SSR、AFLP、EST、SNP等不斷改進的分子標記。以DNA為基礎的多態性檢測可以直接分析核苷酸序列的變異，是遺傳性檢測的有力手段[21]。DNA指紋圖譜是指特定DNA樣品通過分子標記技術所顯示的不同大小DNA片段的總稱，能直接反映DNA水平上的差異，因此成為當今最先進、最精確的標記系統。

越來越多的學者利用DNA分子標記技術對馬褂木進行遺傳分析。羅光佐等利用RAPD標記技術，研究得出，中國馬褂木和北美鵝掌揪兩個種均具有豐富的遺傳多樣性，但中國馬褂木的遺傳多樣性水平低于北美鵝掌揪，中國馬褂木的遺傳變異主要來自地理種源內，北美鵝掌揪主要來自地理種源間。李建民等基于種源試驗結果，利用RAPD標記研究馬褂木全分布區種群間的遺傳分化及地理變異模式，發現馬褂木具有豐富的遺傳多樣性，西部的種群大，導致遺傳變異水平高于東部;在種群遺傳學上，導致馬褂木種群間存在巨大分化的原因有小種群效應、缺乏有效的基因交流和致瀕機制，其遺傳變異在種群間占30%以上，但在不同的地理區域，種群間的遺傳分化程度不同。劉丹等對131個鵝掌楸樣本進行RAPD分析，擴增出譜帶235個，揭示鵝掌楸具有豐富的遺傳多樣性。中國馬褂木遺傳變異分量在群體間占33.03%，群體內占66.97%;北美鵝掌楸分別為8.73%和91.27%;主要變異均存在于個體間。朱其衛等選取來自中國馬褂木、北美鵝掌楸及雜交鵝掌楸的16個交配親本，14個雜交組合，利用SSR分子標記方法，發現子代群體遺傳多樣性較高。石曉蒙利用ISSR分子標記技術對廣西內6個自然群體進行遺傳分析，研究得出，6個自然群體間的總變異量，種群間占29.1%，種群內占70.90%。李龍梅等利用ISSR分子標記方法對廣西境內現存的6個野生馬褂木種群進行遺傳變異分析，發現該群體具有豐富的遺傳多樣性，可將6個天然群體分為東部和西部兩組，其中西部組具有較高的遺傳多樣性。

通過對不同居群、種屬、品系的DNA分子標記所獲得的多態性圖譜進行統計，可以獲悉種群間、種屬間、品系間的遺傳基因同源程度，由此判定它們的親緣程度和進化規律。目前，許多樹種屬下或種下等級的遺傳變異、分類和進化方面的研究都應用了DNA分子標記技術[13]。

3 小結

綜上所述，馬褂木具有豐富的遺傳多樣性，具有較大的遺傳改良潛力。李周岐[16]從對中國馬褂木、北美鵝掌楸及其種間雜種F1的13個性狀進行研究，得出花被片長度等9個性狀在類群間存在顯著或極顯著差異的結論，與于靜[20]對鵝掌楸、北美鵝掌楸和雜交F1的花果共11個數量性狀進行研究得出花被片長度等10個性狀在三大類群間存在顯著差異的結果基本一致。劉丹對馬褂木遺傳多樣性的研究，得出馬褂木群體間遺傳變異分量平均占33.03%，群體內占66.97%，與朱曉琴等利用等位酶分析得到的鵝掌楸群體間遺傳變異分量占20.6%，群體內占79.4%和石曉蒙利用ISSR分子標記技術研究6個自然群體遺傳變異分量種群間占29.1%，種群內占70.90%的結果基本一致。此外，三者與羅光佐利用RAPD標記研究，發現中國馬褂木的遺傳變異主要來自地理種源內和李斌等根據鵝掌楸木材性狀遺傳變異規律，得出種內差異是鵝掌楸屬的主要變異來源的研究結果相應。這些研究結果說明鵝掌楸群體內選優的潛力很大。李龍梅等利用ISSR分子標記方法研究得出馬褂木東部遺傳多樣性低于西部，與李建民利用RAPD技術對15個種群的遺傳多樣性進行了分析的結果大致相符。Parks和Wendel用等位酶標記和RFLP技術，得出中國馬褂木的遺傳多樣性低于北美鵝掌楸這一結論與羅光佐等利用RAPD標記技術研究結果一致。

在生物學上，物種的遺傳多樣性越豐富，對環境的適應能力就越強，在自然選擇中，更容易留存下來。馬褂木作為我國二級珍稀保護樹種，處于瀕危狀態。有學者認為生殖上隔離、人為生境碎片化和生態環境惡化是造成馬褂木日趨瀕危的主要原因。針對馬褂木的分布情況和遺傳結構，筆者提出保護馬褂木種質資源的建議：1）禁止亂砍濫伐，保存好現有的群落和個體，盡量采取原地保存。2）采集所有自然群體種子或穗條，營建種質資源庫，比如種源試驗林、種子園、采穗圃等。3）促進基因交流，豐富其遺傳多樣性。

參考文獻：

[1] 王章榮. 鵝掌楸屬雜交育種成就與育種策略[J].林業科技開發，2008，22（5）：1-4.

[2] 李秀芹，張國斌.馬褂木繁殖與栽培技術[J].安徽農業科學，2006，34 （12）：2706-2707.

[3] 楊海清，高喜榮，王齊端.雜種馬褂木研究綜述[J].河南林業科技，2007，27（4）：37-39.

[4] 李周歧，王章榮.中國馬褂木的研究現狀[J].林業科技開發，2000，14（6）：3-6.

[5] 郝日明，賀善安.鵝掌楸在中國的自然分布及其特點[J].植物資源與環境1995，4（1）：1-6

[6] 朱彬.五倍子蚜蟲及其宿主植物的遺傳多樣性研究及海蛙線粒體基因組全序列測定與分析[D].上海：復旦大學，2007.

[7] 梁小榮.毛烏素沙地天然臭柏種群不同發育階段的遺傳多樣性[D]. 呼和浩特：內蒙古農業大學，2007.

[8] 王伯蓀，彭少麟.植物生態學—群落與生態系統[M].北京：中國科學技術出版社，1997.

[9] 馬克平.試論生物多樣性的概念[J].生物多樣性，1993（1）：20-22.

[10] 潘瑩，趙桂仿.分子水平的遺傳多樣性及其測量方法[J].西北植物學報，1998，18（4）：645-653.

[11] 王中仁，陳彥云.植物遺傳多樣性和系統中的等位酶分析[J].應用生態學報，1994，2（2）：38-43.

[12] 任曉月，陳彥云.等位酶技術在植物遺傳多樣性研究中的應用[J].農業科學研究，2010，31（2）：48-51.

[13] 梁機.分子標記技術及其在林木遺傳改良研究中的應用[J].廣西林業科學，2001（S1）：1-6.

[14] 劉玉壺.木蘭科分類系統的初步研究[J].植物分類學報，1984，22（2）：89-113.

[15] 韋仲新，吳征益.鵝掌楸屬花粉的超微結構研究及系統學意義[J].云南植物研究，1993，15（2）：163-166.

[16] 李周岐，王章榮.鵝掌楸屬種間雜種F1與花果數量性狀的遺傳變異分析[J].林業科學研究，2000（3）：290-294.

[17] 黃雙全，郭友好，吳艷，等.鵝掌楸的花部數量變異與結實率[J].植物學報，1998，40（1）：22-27.

[18] 徐進，王章榮.雜種鵝掌楸及其親本花部形態和花粉活力的遺傳變異[J].植物資源與環境學報，2001，10（2）：31-34.

[19] 李周岐，王章榮.鵝掌楸屬種間雜種苗期生長性狀的遺傳變異與優良遺傳型選擇[J].西北林學院報，2001，16（2）：5-9.

[20] 于靜.鵝掌楸屬樹種花被片色素與花果數量性狀遺傳變異研究[D].南京：南京林業大學，2005.

[21] 惠利省.馬褂木遺傳多樣性及系統地理研究[D].南京林業大學，2010.

[22] 李秀蘭，宋文芹，安祝平，等.木蘭科屬間核型比較[J].植物分類學報，1998，36（3）：232-237.

（助理編輯：易 婧;責任編輯：丁志祥）