濒危植物胡桃楸山东地区种群结构及遗传分析

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胡桃楸(Juglans mandshurica Maxim.)为胡桃科(Juglandaceae)胡桃属(Juglans L.)植物,是一种高大的温带落叶乔木,具有较高材用和药用价值。由于生境破坏和人为干扰,胡桃楸种群数量急剧减少,已被列为国家珍稀濒危植物。通过野外调查发现,山东地区泰山、鲁山、蒙山、崂山、昆嵛山等区域保存有部分胡桃楸野生居群,呈现片断化分布格局,存在灭绝风险,因此亟需开展该物种的种质资源保护工作。本研究通过对山东地区胡桃楸的资源调查,掌握其发育现状、空间分布等特点,基于基础数据绘制静态生命表,从而推断种群结构的未来变化动态;根据ITS、cp DNA部分区域序列信息,以及EST-SSR分子标记研究结果,开展居群及个体的遗传多样性研究,揭示其遗传变异水平和居群遗传结构,为该地区胡桃楸的资源保护提供理论依据。研究主要结果如下:1.在全省范围内的胡桃楸资源调查基础上,于昆嵛山国家级自然保护区、徂徕山省级自然保护区、蒙山省级自然保护区、牙山省级自然保护区以及鹊山省级自然保护区共设置24个20m×20m样方,进行目标物种的每木测量,基于株数、胸径等数据进行龄级结构分析和静态生命表绘制。结果表明:(1)所调查的816株胡桃楸中,幼苗幼树(0cm<DBH<5cm)个体共577株,占总株数的70.7%;从低龄级到高龄级胡桃楸个体数量逐级减少,幼苗幼树储备较为丰富,部分样方内高龄级个体缺失,种群总体表现为增长型。(2)随龄级上升,死亡率呈现先降低再升高的趋势,而期望寿命呈现出先升高再降低的趋势,其存活曲线总体符合DeeveyⅡ型。(3)不同地区的胡桃楸种群结构变化趋势存在部分差异,牙山、昆嵛山、徂徕山和蒙山的胡桃楸种群存活曲线为Deveey III型,而鹊山胡桃楸种群存活曲线接近于Deveey II型。(4)昆嵛山、牙山、鹊山区域的种群内,不同坡位、不同样线分析结果表明,山体下部样方目标物种受人为干扰影响大,导致死亡率较高,而山体中部及上部受人为干扰相对较少,死亡率较低。2.通过PCR扩增ITS、cp DNA(rbc L和psb A-trn H)目标片段,根据序列比对信息对山东地区8个胡桃楸居群开展遗传多样性研究。结果表明:(1)基于ITS序列,供试居群共检测到了14种单倍型(H01-H14),其中H01是8个居群共有单倍型。总体来看,山东地区胡桃楸居群具有较高的单倍型多样性(Hd=0.6872)和较低的核苷酸多样性(Pi=0.00599);而不同居群遗传变异水平存在差异,泰山(TS)和崂山(LS)居群遗传多样性较高,仰天山(YT)和昆嵛山(KY)居群遗传多样性较低。(2)基于cp DNA序列,供试居群共检测到13种单倍型(G01-G13),G02是8个居群的共有单倍型。其中,TS、KY和蒙山(MS)居群单倍型种类较多(4种),而五莲山(WL)居群单倍型种类较少(1种);居群平均单倍型多样性为0.4517,核苷酸多样性为0.01633,遗传多样性处于较低水平。(3)基于以上序列信息分析,结果表明居群间遗传距离普遍较小,聚类结果与地理距离之间未表现出明显的相关性,Mantel test分析结果(P>0.05)亦验证了此结论。根据ITS和cp DNA序列信息,计算该地区胡桃楸不同居群间的基因流分别为2.966和1.992,说明其间有着较为频繁的基因交流。(4)AMOVE分析结果表明胡桃楸遗传变异主要来自于居群内。Tajima’s D值和失配分析曲线均支持山东地区胡桃楸居群可能经历了种群扩张事件。3.应用EST-SSR标记对10个胡桃楸居群(山东8个,吉林1个和陕西1个)以及外类群核桃(J.regia)(山东、新疆)和华东野核桃(J.cathayensis var.formosana(Hayata))(福建),共13个居群170个个体进行了遗传分析。结果表明:(1)本研究所使用的9个EST-SSR引物具有较高的多态性(PIC=0.5675),共扩增得到90个等位基因,不同位点的等位基因数量为5-16个。(2)山东地区胡桃楸TS、CL居群的遗传多样性水平较高,WL、MS居群的遗传多样性水平较低;8个居群的平均等位基因数(Na)、Shannon指数(I)和观测杂合度(HO)分别为3.2917、0.7488以及0.3633,高于吉林地区胡桃楸JL居群(Na=2.7778,HO=0.3333),而低于陕西地区胡桃楸QL居群(Na=4.4444,HO=0.3932)。(3)AMOVA分析表明,山东地区胡桃楸总遗传变异中89%的变异发生在居群内;种群间存在较小的遗传分化(FST=0.103)和较高的基因流(Nm=2.894),推断这与其花粉的长距离传播从而产生基因交流有关。Mantel test结果(r=-0.0870和P=0.4320)显示地理距离和遗传距离之间不存在显著相关性。(4)UPGMA聚类分析将13个胡桃属居群分为两组,而胡桃楸与核桃遗传关系相对较远;居群主坐标分析与UPGMA聚类结果一致。(5)STRUCTURE分析结果表明,TS和QL居群部分胡桃楸个体具有与核桃群体相同的遗传信息,推断胡桃楸与核桃存之间在种间基因渗透。4.山东地区胡桃楸种群呈现片断化分布格局,总体来看属于增长型年龄结构;自然繁殖正常,在排除人为干扰前提下,该物种种群可进行自我复壮。ITS、cp DNA序列信息和SSR分子标记结果表明,山东地区胡桃楸种群遗传多样性较低。本研究推断生态环境破坏、虫害以及人为干扰可能是其濒危的主要原因,可采取就地保护和迁地保护相结合的方式进行种质资源保护。
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