侧柏种源遗传多样性与地理变异规律研究

论文摘要

侧柏（Platycladus orientalis （L.） Franco）起源于中国,种质资源极为丰富,是我国重要的荒山造林绿化树种。针对侧柏缺乏良种的现实,本文根据分子系统学、群体遗传学的原理和方法,利用AFLP标记结合表型性状,从分子和形态两个水平对侧柏种源遗传多样性进行评价,探讨其遗传变异规律,为侧柏优良种源选择、种源区划分、种子调拨及遗传改良等提供依据。主要研究结果如下:1.通过对17省（市、自治区）41个侧柏种源的生长性状、21个种源的球果形态进行研究,结果表明,生长性状的变异系数在5.41%47.55%间,其中以分枝角的变异系数最大（28.74%）,树高的变异系数最小（10.73%）。种子的变异范围为4.77%47.42%,其中单粒重的变异系数最大,为30.28%,种子厚为11.63%、种子宽为10.42%,种子长的变异最小（CV=8.67%）。生长性状的变异系数比种子性状的变异系数大,说明种子的遗传稳定性高。生长性状、球果形态的变异系数和相对极差在种源间分别存在极显著差异,表现出丰富的遗传多样性。2.侧柏种源间生长性状表型分化最大的性状是树高（Vst=46.82%）,分化最小的是冠幅（Vst=20.92%）,生长性状的平均表型分化系数为30.12%,即生长变异的69.88%来自种源内。种子的表型分化系数范围为16.78%27.66%,平均表型分化系数为22.92%,即种子的变异77.08%来自种源内。说明侧柏表型变异种源内远高于种源间的,种源内变异是侧柏种源的主要变异来源。3.生长和种子性状与经纬度的灰色关联分析表明,各性状与纬度的关联度大于经度,说明侧柏的表型变异是以纬向变异为主。对44个种源8个种实性状与种源点经纬度进行典型相关分析,揭示出侧柏种源种实性状的变异受纬度和经度双重控制,变异的基本模式是以纬向变异为主的类型,经纬度可解释种球变异量的38.48%。4.空间相关分析表明,不同生长性状的全局Moran’s I系数在-0.18780.1921间,种子的全局Moran’s I范围为-0.48420.7518,自相关系数多不显著,表现为近距离时呈现一定的相关性,随距离增大,表现为空间不相关或空间随机性。胸径的Moran’s I系数多大于树高的,说明胸径的空间变异性大于树高的空间变异性。各种源生长性状的G系数在-1.0975.6426间,种子的G系数在-2.18991.9142间,且负值多,表明侧柏种源表型性状的空间聚集不明显,大多数种源与较小的种源相邻,即随纬度增加,表型性状呈变小的趋势。部分北方、南方种源的G系数为0,与周围种源无空间相关性,呈现随机分布状态。5.半方差函数结果说明胸径和树高的块金系数分别为58.72%、47.78%,两者均具有中等的空间相关性,分枝角的块金系数达90.6%,其空间相关性很弱。“Krige”分析反映出侧柏种源的生长性状存在一定的空间结构,呈现出渐变、双向渐变和不规则斑块的非随机分布模式。表明侧柏种源间表现为多数生长性状缺乏空间结构和部分生长性状具特定空间结构的复合模式。6.树高和胸径遗传力在两地点表现不同,平阴点树高遗传力0.70490.9557、胸径遗传力0.70070.8858,枣庄点树高遗传力0.26840.8102、胸径遗传力0.32620.9424,平阴点树高遗传力大于胸径的遗传力,枣庄点则是胸径遗传力多大于树高的遗传力。总体来说,23年生时胸径、树高的遗传力低于幼龄林遗传力。不同林龄生长量与经纬度相关分析表明:随着林龄的增大高生长与经度相关系数逐步缩小,与纬度相关系数有增大趋势;侧柏种源胸径生长量与经度相关系数逐步增大趋势,与纬度相关系数有减小趋势。7.以26个种源的254个单株为试材,利用荧光AFLP标记对侧柏种源的分子遗传多样性和遗传结构进行了研究,结果表明:8对引物扩增的平均多态位点数为100.4,多态位点百分率为46.47%。各种源扩增的多态位点数（A）差异较大,全国种源的平均多态位点数为83.6118.5个,多态位点百分率（PPA）为38.72%54.86%。山东种源扩增的平均多态位点数为54.5个124.8个,PPA为25.23%57.75%。四种源区扩增的多态位点数和多态位点百分比相比较,南部种源（A = 104.5,PPA = 48.35%）>北部种源（A = 104.2,PPA = 48.25%）>中部种源（A = 102.1,PPA = 47.28%）>山东种源（A =95.4,PPA = 44.14%）。说明南部种源的遗传多样性最为丰富,北部种源次之,中部和山东种源的遗传多样性水平较低。8.不同侧柏种源的遗传多样性有显著差异,观测等位基因（Na）的变幅为1.26221.6122,有效等位基因（Ne）变幅为1.09831.2519,Nei’s基因多样度（H）变幅为0.06350.1531,Shannon信息指数（I）变幅为0.10250.2371。26个侧柏种源的平均Na=1.5311、Ne=1.2022、H =0.1305、I =0.2102。侧柏种源种级水平观测的等位基因数为Na = 2.000,有效等位基因数为Ne = 1.2406,Nei’s基因多样度为H = 0.1605,Shannon信息指数为I = 0.2695,四个参数在种级水平上显著高于种源水平。在区域水平上,南部种源的Nei’s基因多样度、Shannon信息指数（H=0.1434、I = 0.2366）高于北部种源（H = 0.1425、I = 0.2305）和中部种源（H = 0.1377、I = 0.2283）,但无显著性差异,显著高于山东种源（H = 0.1285、I = 0.2227）,说明南、北部种源的杂合体多,遗传多样性丰富,而山东种源的遗传多样性低。9.遗传多样性分析结果显示:种级水平总的基因多样度Ht为0.1518,种源内基因多样度HS为0.1106,种源间的遗传分化系数Gst为0.2703,也就是说总变异的27.03%来源于种源间遗传变异,72.97%属于种源内的遗传变异。分子方差（AMOVA）分析结果显示,种源间的遗传变异占总变异的14.02%,种源内变异占74.86%,区域间变异占11.12%,表明侧柏种源出现了较高程度的遗传分化,遗传多样性主要存在于种源内。10.遗传分化系数计算得到种级水平的基因流Nm = 1.3804,说明侧柏4个种源区间存在适度的基因交流,但各区域的基因流显著高于全分布区的基因流（1.3804）,其中北部种源的基因流最高,达3.8442,中部种源为3.3679,南部种源为2.5390,山东种源为2.1078,说明尺度小的区域内,侧柏种源的基因交流频繁。11. 26个侧柏种源间的遗传一致度介于0.84220.9919之间,平均为0.9380;遗传距离为0.00860.1717,平均值0.0647,说明种源间具有较高的基因相似度,遗传距离小。基于侧柏样本间的Nei遗传距离进行UPGMA聚类,26种源可分为5大类,大致按地域聚在一起:第一类为南部种源,包括云南文山、福建南平、贵州贵阳3个种源;第二类为北部种源,包括北京密云、内蒙乌拉山、辽宁朝阳和新疆伊犁4个种源;第三类为西南部种源,包括四川西昌、湖北荆门和河南确山3个种源;第四类为中部的8个种源,为甘肃徽县、江苏铜山、陕西黄陵、山西石楼、宁夏银川、河北易县以及山东的枣庄、莒南8个种源;第五类为山东种源,包括费县、曲阜、泰安、博山、安丘、平度、平阴和聊城8个种源。聚类结果显示纬度（地理距离）相近的种源被聚到了一起,反映了侧柏的遗传分化和生境有着一定的相关性,经Mantel检验,种源的地理距离与遗传距离之间显示正相关,但未达到显著性水平（r=0.288 6,P = 0.0930）。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 林木种源试验
• 1.2.2 表型多样性研究进展
• 1.2.3 分子标记在林木遗传多样性研究中的应用
• 1.2.4 侧柏研究概况
• 1.3 研究内容与目标
• 2 材料与方法
• 2.1 材料
• 2.1.1 表型变异数据
• 2.1.2 地理变异分析数据
• 2.1.3 分子标记材料
• 2.2 试验地状况
• 2.3 方法
• 2.3.1 性状测定方法
• 2.3.2 AFLP 实验方法
• 2.3.3 数据处理
• 3 结果与分析
• 3.1 侧柏种源表型性状的遗传多样性研究
• 3.1.1 侧柏种源生长性状变异分析
• 3.1.1.1 生长性状变异特征比较
• 3.1.1.2 生长性状极差变异特征
• 3.1.1.3 生长性状变异系数和相对极差的多重比较
• 3.1.1.4 生长性状表型分化
• 3.1.2 种子变异分析
• 3.1.2.1 种子性状值离散性特征
• 3.1.2.2 种子性状值极差变异特征
• 3.1.2.3 种子性状变异系数和相对极差的多重比较
• 3.1.2.4 侧柏种源种子性状方差分析
• 3.1.2.5 侧柏种子的表型分化
• 3.1.3 侧柏种源聚类分析
• 3.2 侧柏种源地理变异规律
• 3.2.1 生长性状的地理变异规律
• 3.2.1.1 生长性状与经纬度的灰色关联分析
• 3.2.1.2 生长性状与气象因子的灰色关联分析
• 3.2.2 侧柏种子地理变异规律
• 3.2.2.1 侧柏种实性状与地理因子的典型相关分析
• 3.2.2.2 侧柏种实性状与气象因子的典型相关分析
• 3.2.2.3 种实性状与经纬度的灰色关联分析
• 3.2.3 侧柏种源表型性状的空间相关分析
• 3.2.3.1 侧柏种源生长性状的全局空间相关分析
• 3.2.3.2 侧柏种源生长性状的局部空间相关分析
• 3.2.3.3 侧柏种源生长性状的半方差函数
• 3.2.3.4 侧柏种源生长性状空间分布
• 3.2.3.5 侧柏种子性状的全局空间相关分析
• 3.2.3.6 侧柏种子性状的局部空间相关分析
• 3.2.4 种源的聚类
• 3.2.5 侧柏种源性状的遗传力分析
• 3.2.6 侧柏种源不同林龄胸径和树高与经纬度关系
• 3.3 侧柏种源分子遗传多样性分析
• 3.3.1 不同引物组合对侧柏种源的荧光AFLP 扩增片段的多态性
• 3.3.2 侧柏种源的遗传多样性
• 3.3.3 侧柏种源遗传多样性与经纬度关系
• 3.3.3.1 Nei’s 基因多样度（H）与经纬度关系
• 3.3.3.2 Shannon 信息指数与经纬度关系
• 3.3.4 侧柏种源的遗传分化
• 3.3.5 侧柏种源的遗传一致度和遗传距离分析
• 3.3.6 聚类分析
• 3.3.6.1 全国种源聚类
• 3.3.6.2 山东种源株系聚类
• 3.3.6.3 山东种源聚类
• 3.3.6.4 侧柏种源的区域聚类
• 4 讨论
• 4.1 侧柏的表型变异丰富
• 4.2 侧柏种源的遗传多样性水平
• 4.3 侧柏种源的遗传结构
• 4.4 侧柏种源的遗传多样性中心
• 4.5 侧柏种源的地理变异规律
• 4.6 侧柏种源的空间变异规律
• 4.7 不同林龄种源与经纬度关系
• 4.8 侧柏种源间的亲缘关系
• 4.9 本论文的创新点
• 4.10 下一步研究设想
• 5 结论
• 5.1 侧柏种源表型多样性结论
• 5.2 侧柏种源地理变异规律结论
• 5.3 侧柏种源分子遗传多样性结论
• 参考文献
• 附录：图版
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文
• 博士学位论文内容简介及自评