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棕榈科植物的遗传多样性及其应用生态学研究

谭忠奇  
【摘要】: 棕榈科(Palmae)是单子叶植物纲中很有特色的一个类群,是热带植物区系的重要组成部分,是世界上最重要的三大经济植物类群之一。在热带和亚热带地区,其广泛的生境适应性、丰富的种类和独特的观赏价值,使之成为现代生活和城市绿化中重要的园林植物材料,在厦门和我国南方许多城市已经被大量地引种和应用。然而,由于棕榈科植物地理分布和形态结构的特殊性,分类鉴别上的困难已经成为这类资源科学保护、合理开发利用上的严重障碍;同时也由于对棕榈科植物栽培应用中的生理生态规律缺乏研究,在引种驯化和推广应用的过程中造成了不必要的浪费,并严重影响了这种热带植物景观象征的园林植物资源的生态效益的有效发挥。然而,迄今为止既没有人通过已广泛应用、先进的分子生物学手段对棕榈科植物的分类鉴定和系统关系进行过研究,对棕榈科植物在城市绿化中的合理应用和生理生态研究方面,也很少有公开发表的成果能为之提供指导并帮助解决日益凸显的问题。 本文在初步调查分析了棕榈科植物在我国的自然分布、引种驯化情况以及该类植物在厦门地区栽培应用状况的基础上,首次采用RAPD分子标记技术,对厦门万石植物园引种的一些棕榈科植物的遗传多样性进行了研究,根据PCR对基因组DNA扩增的结果,用Nei's相似性系数计算了不同植物间的遗传距离和遗传一致度,通过对遗传距离的UPGMA聚类分析,并结合形态分类的特点,对棕榈科植物的属、种间的系统分类关系和一些疑难种的分类鉴定进行了初步研究。首次通过测定不同遮荫处理的盆栽棕榈科植物的生长量、叶绿素含量等指标,分析了棕榈科植物的耐荫性;通过测定叶片热值对棕榈科植物的能量生态学进行了初步研究。本研究既填补了棕榈科植物在分子生物学和园林应用中生态学研究方面的空白,所得成果对棕榈科植物的引种保护、合理开发和有效利用的实践也有指导意义。 具体结果如下: 1.通过在抽提缓冲液加入2%的PVP、并用异丙醇和乙醇沉淀基因组DNA等改良措施,CTAB法能避开大量纤维、多糖的影响,有效地从不同属种的棕榈科植物的幼嫩叶片中提取并纯化了适合RAPD的基因组DNA。RAPD扩增反应使用T3型PCR仪,规范实验操作,反应体系为:Taq DNA聚合酶0.5U,引物(5μmol/dm~3)2μl,dNTPs(1mmol/dm~3)2.5μl,10*buffer2.5 pl,模板DNA 20ng,加超纯水至25林1,反应体系用20 pl石蜡油覆盖。PCR循环设置为: 94oC变性lmin,36oC复性(退火)lmin,72℃延伸Zmin,共40个循环,然后72℃延伸7min。 获得的扩增结果有较好的稳定性和重复性,多态性带型丰富。 2.运用RAPD分子标记技术对棕竹属(肋即15)、琼棕属(chunl叩hoenjx)和针葵属 (Phoenjx)12种植物的分子分类进行了分析。从29个10核营酸随机引物中筛选出的13个 有效引物共扩增出837条带,其中多态性条带657条,占总扩增条带数的78.49%。RAPD结 果的UPGMA聚类分析和形态分类的比较表明,8种棕竹属植物种间的平均遗传距离为0.45, 遗传一致度高,形态分类差异也较小。其中,形态分类上属于种与栽培品种关系的矮棕竹 (肋aPz’sh二z’1js)和长叶棕竹(尺h“加了1z’s cv. tenerjfl,ons)的遗传距离也仅为0.24;而棕 竹(尺exce了sa)和大叶棕竹(R. sP.)(常被认为是(无excelsa var.vastjfo1z’us))的遗传距 离为0.44,如果原产地标本特征和样品的形态结构区别特征明显,宜定为种间关系。长期 混淆一起的植株丛生的江边刺葵(Ph0enz’x roebelen刀)和植株单杆的美丽针葵(P. 了。~了rz’,’)的遗传距离为0.44,从DNA水平上和形态结构上都应该是两个不同的种。 3.羽状叶和掌状叶是棕搁科植物的主要区别特征和分类依据,两种叶型出现的先后也是 该科植物进化研究和系统排列问题上长期争论的主要焦点。本文用9个有效引物对羽状叶型 的鱼尾葵属(ca厂yot。)4种植物和掌状叶型棕搁属(乃妞‘加‘arPus)、琼棕属 (Chunj叩hoenjx)、蒲葵属(L丁叮stona)各2种,共10种两类叶型植物进行了RAPD分析。结 果发现:4个属的植物分别聚类成一小组。掌状叶型3属6种棕桐科植物的平均遗传距离为 0.47,羽状叶型的4种鱼尾葵属植物间的平均遗传距离为0.55;而鱼尾葵属4种羽状叶植 物与6种掌状叶植物间的遗传距离达0.72;DNA指纹图谱显示,4种羽状叶鱼尾葵属植物的 DNA显带有很高的相似性,而4种羽状叶和6种掌状叶棕搁植物间很难发现相同或相似的谱 带。这表明棕搁科植物两种叶型的区别是非常明显的,这种在形态分类学上的重要表型性特 征,在二者的DNA分子差异上也有证据。但羽状叶和掌状叶这种表现型的DNA分子标记还有 待进一步的研究来探寻。鱼尾葵属的4种植物无论从形态结构、染色体数目,还是在遗传距 离和遗传一致度的聚类结果上看,都存在过渡性特征,董棕(ca厂夕口ta~s)、肯氏鱼尾葵 (乙c二jng」z’)属于古老原始种类。琼棕(Chunl卯加enjx力az’n。刀。对s)和小琼棕(c. na朋) 的遗传距离为0.38,棕搁(乃百‘加‘arPusfOrtunez’)与龙棕(厂刀ana)为0.23,遗传一致度 很高,亲缘进化关系密切;而同属的蒲葵(Lz’vz’stonachz’nensz’s)和圆叶蒲葵(L. rotundz’fo1z’a


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