（生态学专业论文）油松与巴山松的地理分界研究——基于cpssr的景观遗传学分析.pdf

油松与巴山松的地理分界研究 基于c p s s r 的景观遗传学分析 捅晏 油松( p i n u st a b u l i f o r m i sc a r t ) 和巴山松( p i n u sh e n r y im a s t ) 作为我国特有的乡土 松树，是华北、华中部分地区针叶林的主要成分。二者以秦巴山区为界限形成了独特的 生态景观替代现象，然而长期以来对巴山松与油松地理分界的看法争议颇多。因此，本 文拟从景观遗传学角度阐释巴山松与油松景观边界的空间遗传结构及地理分界位置。 本研究采用1 4 个叶绿体微卫星分子标记对油松、巴山松共2 9 个自然居群，7 6 6 个个 体进行群体遗传学研究。分析总体及居群水平遗传多样性及遗传分化，并进行n j 聚类 分析和主成分分析( p c a ) 以探讨两物种分类地位；基于最优化的模拟退火原理对其进 行空间分子方差分析( s a m o v a ) ，考察其遗传结构的空间特征，同时依据m o n m o n i e r 法则追踪居群间的基因流屏障，确认可能阻碍基因交流的景观要素；最后用巢氏分支分 析和m a n t e l 检验从时空尺度揭示形成这种空间遗传结构的历史和地理原因。 结果表明：居群水平遗传多样性不高( h s = 0 1 0 4 ) ，且不同居群间遗传多样性差异 很大( o 3 0 8 0 0 0 0 ) ，居群间遗传分化强烈( g s t = o 7 3 7 ) ，r s 7 g s 7 说明其拥有特定的空 间结构；聚类分析将2 9 个居群明显分为两支，与主成分分析结果总体趋势一致；空间 分子方差分析将2 9 个居群分为3 组时得到最大的组间分化( f c ，= o 1 4 4 ) ，有5 2 5 4 的 变异存在于居群间，居群间分化是遗传变异的主要来源；汉江、任河、长江和某些山谷 是阻碍基因流的主要屏障；m a n t e l 检验和巢氏分支表明地理距离与遗传距离无相关性 ( r = 一0 1 0 5 ，尸= o 8 4 1 ) ，生境的片断化、小的居群大小和历史上的异域分布及瓶颈效 应，以及推测的传粉物候不利是导致这种高度分化空间遗传格局的原因。最后，综合考 虑各种分析结果判定油松和巴山松的地理分界在米仓山至大巴山的大江口、大河、青水、 项家坪、大佛山、赛武当一线，在涧梁、桃园、双阳三地巴山松包含有油松成分。 油松和巴山松分别代表暖温带气候和亚热带湿润气候，两者景观分界的确认对我国 秦岭一淮河气候分界以及生物区系划分具有重要的指导意义，对农作物种植、森林植被 恢复等多方面的研究与应用具有重大的影响。本研究首次将景观遗传分析方法用于油松 和巴山松遗传结构和地理分界研究，为全面揭示我国特异的生态气候转变提供科学的理 论参考。 关键词 景观遗传学，油松，巴山松，叶绿体微卫星，空阳j 遗传结构，地理分界 s t u di6 so ng e o g ra p hicb o u n d ar yo fp i n u st a b u lif o r m i s c a r t a n d 户h e n r y im a s t b a s e do nc p s s r wit hia n d s c a p e g e n e t ica n aly sis a b s t r a c t p i n u st a b u l i f o r m i sc a r r a n dp i n u sh e n r y im a s t ，t w oe n d e m i cs p e c i e s ，a r e p r e d o m i n a n t t r e e so ft h ec o n i f e r o u sf o r e s ti nn o r t h c h i n aa n dc e n t r a l c h i n a ，t h e ya r es e p a r a t e db y q i n l i n g d a b am o u n t a i n s ，w h e r ee c o l o g i c a l s u b s t i t u t i o no fe a c ho t h e ri s q u i t eu n i q u e h o w e v e r , t h e i rl a n d s c a p eb o u n d a r yw a sa l w a y si nd i s c u s s i o n i nt h i ss t u d y , t h es p a t i a lg e n e t i c s t r u c t u r ea n dt h el a n d s c a p eb o u n d a r yo ft h e mw e r ei l l u s t r a t e dw i t hl a n d s c a p eg e n e t i c s t a t i s t i c s t h eg e n e t i cd i v e r s i t ya n dd i v e r g e n c eo f2 9p o p u l a t i o n s ，7 6 6i n d i v i d u a l sw e r ea n a l y z e da t b o t ht o t a la n dp o p u l a t i o nl e v e lb yu s i n gc h l o r o p l a s tm i c r o s a t e l l i t e s ( c p s s r ) n e i g h b o r - j o i n ( n j ) d e n d r o g r a ma n dp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p e a ) w e r eu s e dt oi l l u s t r a t e t h eg e n e t i c r e l a t i o n s h i p sa m o n gpt a b u l i f o r m i sa n dph e n r y ip o p u l a t i o n s t h es p a t i a ls t r u c t u r ei nt h e c p d n ad a t a s e t sw a si n f e r r e dw i t hs a m o v a ，b a s e do nas i m u l a t e da n n e a l i n gp r o c e d u r e w h i c ha i m st om a x i m i z et h ep r o p o r t i o no ft o t a lg e n e t i cv a r i a n c ed u et od i f f e r e n c e sb e t w e e n g r o u p so fp o p u l a t i o n s t h em a x i m u md i f f e r e n c ea l g o r i t h mo fm o n m o n i e rw a sa p p l i e dt o i d e n t i f yz o n e so fg e n ed i s c o n t i n u i t y t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta tp o p u l a t i o nl e v e lt h eg e n e t i cd i v e r s i t yw a sm o d e r a t ew i t haw i d e r a n g e ( 0 3 0 8 - 0 0 0 0 ) ，b u tg e n e t i cd i v g e n c ea m o n gp o p u l a t i o n sw a sq u i t eh i g h ( g s t = 0 7 3 7 ) r s r w a ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a ng s r , w h i c hi n d i c a t e da ne x i s t i n gg e o g r a p h i cs t r u c t u r e n j d e n d r o g r a ms h o w e dt w od i s t i n c tc l a d e si n d i c t i v eo fpt a b u l i f o r m i sa n dp h e n r y i ，r e s p e c t i v e l y , w h i c hw a sc o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l to fp c a f o rs a m o v a ，w er e p e a t e dt h ea n a l y s i sb y i n c r e a s i n gt h ev a l u eo fk u n t i lt h er rv a l u er e a c h e dap l a t e a u0 。1 4 4a tk = 3 ，w i t h5 2 5 4 p e r c e n t a g eo ft h et o t a lv a r i a t i o nb e t w e e np o p u l a t i o n s h a n j i a n gr i v e r , r e nr i v e r , y a n g z if i v e r a n ds o m e v a l l e y sw e r ei d e n t i f i e dt h eb a r r i e ro fg e n ef l o w m e n t a lt e s ta n dn c p a i n d i c a t e dt h a t t h eg e n e t i cs t r u c t u r ew a sn o tt h er e s u l to fi s o l a t i o nb yd i s t a n c e ，b u tr a t h e rs m a l lp o p u l a t i o n s i z e ，t h ei n f e r r e dw o r s ep o l l i n a t i o np h e n o p h a s e s ，a l l o p a t r i cf r a g m e n t a t i o n ，p a s tg r a d u a l r a n g ee x p a n s i o nf o l l o w e db yf r a g m e n t a t i o no rap a s tl a r g e rr a n g ef o l l o w e db ye x t i n c t i o ni n i n t e r m e d i a t ea r e a s i tw a sc o n f i r m e dt h a tp t a b u l i f o r m i sa n dph e n r y ia r ei n d e e dt w os e p a r a t e s p e c i e s ，a n dt h ed i v i d i n gl i n eo fg e o g r a p h i cd i s t r i b u t i o nb e t w e e nt h e mi sl o c a t e di nt h e u l m i c a n gm o u n t a i nt ot h ed a b am o u n t a i n ，b u tt h et w op i n e sw e r em i x e di nj i a n l i a n g ，t a o y u a n a n ds h u a n g y a n g p t a b u l i f o r m b s ，m a i n l yd i s t r i b u t e dn o r t ho fq i n l i n gm o u n t a i n s ，i sa d a p t e dt ow a r mt e m p e r a t e c l i m a t e ；p h e n r y i ，m a i n l yd i s t r i b u t e di nd a b am o u n t a i n s ，i sa d a p t e dt os e m i t r o p i c a lc l i m a t e i d e n t i f i c a t i o nt h e l a n d s c a p eb o u n d a r yo ft h e mw i l lp r o v i d ei m p l i c a t i o n s i nb o t h o f q i n l i n g h u a i h ec l i m a t ez o n ea n dd e m ed i v i d i n g f o rt h ef i r s tt i m e ，l a n d s c a p eg e n e t i ca n a l y s i s w a sa p p l i e dt or e s e a r c ho f g e o g r a p h i cb o u n d a r yo f p t a b u l i f o r m i sa n dp h e n r y ia n dt h er e s u l t s w i l lg i v ei n s i g h ti n t or e s e a r c h e so fe c o l o g i c a l c l i m a t et r a n s f o r m a t i o na l la r o u n d k e yw o r d s l a n d s c a p eg e n e t i c s ，p i n u st a b u l i f o r m 话c a r r ，p i m t sh e n r y im a s t ，c p s s r ，s p a t i a lg e n e t i c s t r u c t u r e ，g e o g r a p h i cb o u n d a r y 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人 允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：拯监指导教师签名：刭童互奎 7 年歹月 日 帕7 年f 月2 z 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：习匆互喇 姻7 年月二1 日 西北人学硕i ：学位论文 第一章前言帚一早日l j 百 1 1 景观遗传学 随着人类活动能力的增强，人类对景观的改变和塑造能力也达到了历史中的最高 点，物种的生存空间和生存质量受到了极大的威胁。景观遗传学正是在这种科学和现实 的背景下应运而生的 m a n e le ta 1 ，2 0 0 3 】。 1 1 1 景观遗传学概念 m a n e l 等 2 0 0 3 最早提出景观遗传学的概念，他们认为这门学科融合了分子种群遗 传学与景观生态学，旨在提供关于景观特性与微进化过程( 譬如基因流、遗传漂变和选 择) 相互作用的信息。一般来讲，景观遗传学试图通过量化景观变量和种群遗传结构之 间的关系去理解生态过程对遗传变异的影响f t u m e re ta 1 ，2 0 0 1 。 自从m a n e l 首次提出“景观遗传学概念以来，大量文章在评价遗传变异的空间分 布时结合了地理坐标或景观特征，所以被贴上了景观遗传学的标签。h i r a o 和k u d o 2 0 0 4 】 以1 1 个等位酶为标记，用局部m a n t e l 检验得出雪地草本植物p e u c e d a n u mm u l t i v i t t a t u m ， v e r o n i c as t e l l e r i 和g e n t i a n an i p p o n i c a 的遗传结构主要受开花时间的影响，而距离隔离居 于次要地位；j a c q u e m y n 2 0 0 4 用a f l p 标记对西洋报春( p r i m u l ae l a t i o r ) 进行了m a n t e l 检验和a m o v a 分析，发现其遗传多样性和遗传分化在新生森林中较低；l i e p e l t 等 2 0 0 2 用m t d n a 和c p d n a 对欧洲冷杉( a b i e sa l b a ) 进行单倍型作图和变量模型分析，结果 表明风媒传粉对不同避难所居群间的基因流有重要影响。 随着景观遗传学在动植物不同物种不同问题中的广泛应用，景观遗传学的定义不断 得到修正并被重新阐述：h o l d e r e g g e r 和w a g n e r 2 0 0 6 认为景观遗传学包括那些将种群 遗传学，适应进化或中性选择数据与有关景观构成和景观格局( 包括基质性质) 的数据 结合起来的研究。s t o r f e r 等 2 0 0 7 1 认为景观遗传学整合了种群遗传学、景观生态学和空 间统计，用来检测景观和环境特性对基因流，遗传间断性和种群结构的相对影响。 1 1 2 景观遗传学与传统相近几个学科的比较 景观遗传学能够在更低的分类阶层上分辨不同地理尺度下的种群亚结构 s m o u s e p e p e a k a l l r ，1 9 9 9 1 。它不同于生物地理学与系统地理学，传统生物地理学 主要关注较大时空尺度的物种多样性模式，强调高分类阶层的地理分布形式，所采用的 证据除了现今的传播或迁移方式及形态特征外，化石往往是不可或缺的直接证据 b r o w n ， 第一章前吉 j h & l o m o l i n o ，m v ，1 9 9 8 ：王讳玲，2 0 0 6 1 。系统地理学是考察进化谱系的地理分布 以了解分类群进化历史的一门学科，更偏重近缘物种或种群间的研究，主要着重物种以 往的历史重建、推估物种传播路径及了解遗传变异在空间上的分布情形【王袢玲，2 0 0 6 1 。 与系统地理学相比，景观遗传学能够在更精细的尺度上获得数据，甚至达到种群及种群 内个体水平，从而帮助我们理解促成空间遗传结构的微进化过程。 1 1 3 景观遗传学研究的主要问题 景观遗传学方法已经解决了大量基础和应用问题。总结这些研究实例，大致归为五 个方面：( 1 ) 量化景观变量和景观格局对遗传变异的影响；( 2 ) 确认基因交流的障碍； ( 3 ) 揭示源一汇动态和迁移廊道；( 4 ) 理解某个生态过程的时空尺度；( 5 ) 检验物种特 异性生态假设。 ( 1 ) 量化景观变量和景观格局对遗传变异的影响 已发表的大量景观遗传学研究文章都集中于量化景观格局对基因流的影响 m a n e l e ta 1 ，2 0 0 3 ；s c f i b n e re ta l ，2 0 0 5 1 。遗传数据的统计分析已经被应用于判断基质耐受性 对基因流和遗传结构的影响，包括地被类型，河流距离，历史上的景观格局，水流速度， 山脊距离，热量分布和景观格局对等位基因固定时间的影响 s t o r f e re ta 1 ，2 0 0 7 】。近来， s e z e n 等 2 0 0 5 揭示了景观变化和斑块类型对哥斯达黎加林下棕榈( i r i a r t e ae l t o i d a e ) 的 影响，与原生森林相比，随着次生森林中斑块直径的增大，遗传多样性降低，这说明内 在尺度，即通过遗传邻居估算的被一个种群占据的面积，会由于景观构成和景观格局的 不同而变化。在另外一个例子中，完整生境中的狼獾种群比片断化生境中的种群具有更 大的内在尺度 c e g e l s k ie la 1 ，2 0 0 3 1 。 ( 2 ) 确认基因交流的障碍 找到潜在的基因流屏障是景观遗传学研究的重要方面。很多景观特征都会影响基因 流，特别是像公路、水渠或山脊这些景观要素都会是潜在的基因交流屏障 r i l e ye la l ， 2 0 0 6 ；f u n ke ta l ，2 0 0 5 。大量研究都应用遗传学数据确认了基因流的突然间断以及渐 进的过渡带 d u p a n l o u pe ta 1 ，2 0 0 2 ；m a n n ie ta 1 ，2 0 0 4 。除这些可见的景观要素之外， 不利的微生境也会成为阻碍基因流的屏障，譬如对特定物种来说超过其耐受临界的湿 度、温度或化学成分 p a l oe ta 1 ，2 0 0 4 1 。所以，屏障的确认对我们的生态学、保护学生 物学、进化学问题调查具有重要的启示意义 w a l k e re la 1 ，2 0 0 3 ；k r e y e re ta 1 ，2 0 0 4 。 两北人学硕l ：学位论文 景观遗传学方法一个明显的优势是它的空间分析技术能够让研究者发现用传统种 群遗传学方法检测不到的屏障 g u i l l o te la 1 ，2 0 0 5 a 。例如，c o u l o ne a l 2 0 0 6 采用空 间a s s i g n m e n t 检验 g e n e l a n d ；g u i l l o te a 1 ，2 0 0 5 b 方法发现了由于高速公路和河流 而导致的狍种群的遗传结构化，而一个非空间的a s s i g n m e n t 检验 s t r u c t u r e ； p r i t c h a r de ta 1 ，2 0 0 0 1 就没有检测到任何遗传间断。 ( 3 ) 源一汇动态 了解源汇动态和生境品质的变化有助于确认廊道并进而指导保护计划的制定。生 态学家已经能够应用遗传学数据通过私有等位基因来考察非对称的基因流，并确认种群 的源汇生境 k e r m i n g t o n e ta l ，2 0 0 3 1 ，同时，采用溯祖方法或a s s i g n m e n t 检验来推测迁 移进某个种群的个体数目【s t o r f e re ta 1 ，2 0 0 7 】。通常情况下，由于来自不同源生境的迁 入，汇生境个体中的连锁不平衡程度比预期会更高，所以依据理论种群模型评价连锁不 平衡能够用于确定汇生境 n e i l e ，1 9 7 3 1 。d i a s 等 1 9 9 6 经验性的验证了这一理论，他 发现在个已知的汇生境中生长的蓝雀( p a r u sc a e r u l e u s ) ，其连锁不平衡程度要高于那 些来自某个己知源生境( 落叶林) 中的蓝雀。 景观遗传学方法同样能确认廊道的实际位置。例如，b a n k s 等 2 0 0 5 1 采用遗传结构 的空间自相关分析证明：相对于松林本底生境，河岸带的原生桉树林有助于有袋肉食类 动物a n t e c h i n u sa g i l i s 的迁移。这项研究同时也有助于考察雄性a g l s 的迁移临界，他 发现当片断化的松林生境之间距离大于7 5 0 米时，其迁移显著减少。某些景观变量促进 了基因流并可能充当廊道，景观遗传学的最低成本分析对确认这些景观变量同样很有价 值 s p e a re la 1 ，2 0 0 5 ；v i g n i e r i ，2 0 0 5 。例如，v i g n i e r i 2 0 0 5 采用最低成本路径分析发 现海拔增幅与河岸森林覆盖率与太平洋跳鼠( z a p u st r i n o t a t u s ) 中的基因流强烈相关。 ( 4 ) 时空尺度 在不同的时空尺度下，遗传变异会呈现不同的模式，这是在景观生态学和空间统计 学中确立课题和实验设计时所面临的一个关键问题 g a r d n e r ，2 0 0 1 1 。某个特定景观变量 的不同考察尺度都会检测到很不同的基因流格局，这让我们对物种的生物学特性能够有 更深入的了解。例如，t r a p n e l l 和h a m r i c k 2 0 0 4 研究了美国中部种附生兰花( l a e l i a r u b e s c e n s ) 的基因流，其花粉扩散和种子散播对总基因流的相对贡献是尺度依赖的。在 最精细的空间尺度下，控制基因流的主要因素是种子重力( 种子扩散) ，在中等和更广 的尺度下，分别是蜂雀行为( 花粉扩散) 和风力( 偶尔种子扩散) 。 第一章前高 时间同样对景观遗传有显著影响。r a m s t a d 等 2 0 0 4 】在阿拉斯加红大马哈鱼 ( o n c o r h 3 ，n c h u sn e r k a ) 种群中检测到明显的遗传结构，并且用简单的局部m a n t e l 检验 评价了不同生态和进化因子对遗传分化的相对影响。他们的研究小组发现，产卵时间与 建立者效应、潜在的冰川退却时间与新产卵生境的重新定殖密不可分，这种时间隔离对 种群遗传结构的形成贡献显著，而地理距离和产卵生境的差异对遗传结构并无太大影 响。 ( 5 ) 检验物种特异性生态假设 景观遗传学为检验关于物种生态特性如何塑造遗传变异提供了新的方法，譬如生物 区的确认，对气候变化的潜在响应和生态变量 s a c k se ta 1 ，2 0 0 4 ；j t h r g e n s e ne ta 1 ，2 0 0 5 。 例如，s a c k s 等 2 0 0 4 通过评价北加利佛尼亚四个连续生物区中的种群遗传结构，验证了 种北美小狼的偏诞生地扩散模式，并且发现，这种遗传结构可以用生境生物区而不是 生境障碍来解释。在波罗地海青鱼( c l u p e ah a r e n g u s ) 的一项研究中，j 4 ) g e n s e n 等 2 0 0 5 发现能够最好解释遗传变异的生态变量是盐分，温度和产卵时间。 1 1 4 景观遗传学的研究步骤 任何一个具体的景观遗传学研究，都要首先用遗传标记确定对象种群的遗传结构， 其次用空间统计分析方法将所得遗传结构与景观变量进行耦合，进而探讨这种遗传结构 的形成原因。 1 1 4 1 遗传结构 遗传结构( g e n e t i cs t r u c t u r e ) 通常指物种的遗传多样性在种群中的分布形式，它包 括基因和基因型的种类及比例，基因频率及其演变规律是种群遗传结构研究的核心问 题。种群遗传结构可以反映种群大小、组成、繁育系统、隔离程度和迁移格局的时空动 态，因此，种群遗传结构的研究有助于阐明自然条件下生物变异与环境的关系及物种形 成机理，加深对生物进化过程的认识和理解 钟章成，2 0 0 0 。种群遗传结构上的差异是 遗传多样性的一个重要体现，一个物种的进化潜力和抵御不良环境的能力既取决于种内 遗传变异的大小，也于其遗传变异的种群结构有关 葛颂，1 9 9 4 ；1 9 9 7 】。遗传结构在种 群分子进化生物学研究中十分重要，关系到种群进化及其保护 b a r r e t & k i d w e l l ，1 9 9 8 。 对植物种群的遗传结构及其影响因子的研究是探讨植物的适应性、物种形成过程、式样 及其进化机制的基础 葛颂，1 9 9 4 ；1 9 9 8 。许多研究表明，遗传结构在自然界中是非随 机分布的，因此找到影响和制约种群遗传结构的乍念和遗传机制很有意义 c h a l m e r se t 4 两北人学硕l ：学位论文 d ，1 9 9 2 】。 种群遗传结构是一个物种最基本的特征之一，是通过物种种群内和种群间的遗传分 化来体现的。因此，确定一个物种的种群遗传结构是了解其种群生物学的第一步 葛颂， 1 9 9 4 。而且，了解物种的种群遗传结构将十分有助于阐明物种的进化历史。对于小种 群和被隔离的种群，遗传漂变可导致种群近交衰退，种群易于灭亡，种群问遗传分化大 r o w ee t a l ，1 9 9 8 。影响种群遗传结构的因素很多，有物种本身的生活史特性( 如遗传 漂变、种群迁移、繁育系统、种子休眠状况、物侯、各种不亲和机制、花粉和种子传播 等) 、分布地区、演替阶段、自然选择、突变，另外，环境因素，包括生物因素( 竞争、 采食、人为的干扰等) 、非生物因素( 气候、土壤、火山、冰期等) 和微环境的变化也 会影响遗传分化 h a m r i c k & g o d t ，1 9 9 0 ；o w u o r e ta 1 ，1 9 9 7 ；f o r c i o l ie ta 1 ，1 9 9 8 1 。b o s h i e r e ta 1 1 9 9 5 1 认为雄花和雌花不同开花期也影响种群的遗传结构。w o l f f 等 1 9 9 7 总结人为 自花授粉和虫媒传粉物种的种群间遗传变异大，而风媒传粉的物种种群间遗传变异小。 很多研究表明，不同地理分布及不同生长环境的种群间均有较显著的遗传分化 h a m r i c k & g o d t ，1 9 9 0 ；汪小全等，1 9 9 6 。 1 1 4 2 景观遗传学分析方法 景观遗传学研究的分析技术用到了很多统计方法，其中最常用的有：a s s i g n m e n t 检 验，矩阵相关性检验，扩散路线分析和自相关分析。 ( 1 ) a s s i g n m e n t 检验 传统的种群遗传统计通常需要一个预先的种群划分，而a s s i g n m e n t 检验能够在未知 种群划分的情况下考察种群的景观遗传模式。例如，p r o c t o re ta 1 2 0 0 5 分别在英国哥伦 比亚南部和加拿大艾尔特的高速公路两边搜寻棕熊取样( u r s u sa r c t o s ) ，同时将一个未 受交通廊道影响的具有相似生境的山谷作为对照。他们应用a s s i g n m e n t 检验检测到横跨 高速公路的样地中低于对照山谷的基因流。 另外是确认空间遗传间断。m a n n i 等 2 0 0 4 采用v o r o n o i 多边形构建种群间的几何 关系，接着用修正的m o n m o n i e r s 法贝j j 1 9 7 3 确认遗传间断以推断阻止基因流的屏障。 m o n m o n i e r s 法则基于追踪连接具有更高遗传距离的相邻观测点问边的有方向性的垂直 平分线来模拟遗传间断。 ( 2 ) 矩阵相关 第一章前苦 m a n t e l 检验和局部m a n t e l 检验已经被广泛应用于景观遗传学研究之中。例如， k e y g h o b a d i 等 1 9 9 9 采用m a n t e l 检验证明了草场比森林更有助于一种阿尔卑斯蝴蝶 ( p a r n a s s i u ss m i n t h e u s ) 种群中的基因交流。m a n t e l 检验同样被用来解释三种阿尔卑斯 牧草的开花时间差异 h i r a o & k u d o ，2 0 0 4 】。 局部m a n t e l 检验扩展到包含多个景观遗传变量的分析。例如，用a k a i k e si n f o r m a t i o n c r i t e r i o n ( a i c ) 来估计局部m a n t e l 变量的相对重要性，结果表明，沿着排水沟的距离 度量和定殖年龄是预测黑尾牧场狗( c y n o m y sh m o v i c i a n u s ) 居群中遗传距离的关键依据 r o a c he ta 1 ，2 0 0 1 。s p e a r 等 2 0 0 5 在火螈基因流的分析中采用了包含1 0 个生境指标的 景观变量，结果显示，包含了地理距离，河流和灌丛等的检验结果比用线性欧氏距离的 计算结果提高模型符合度达5 0 。 ( 3 ) 扩散路径分析 扩散路径分析( 包括可替代的路径，最低成本路径和某些网络分析) 基于预定的路 径或沿某个矢量的先验加权来检验路径选择与遗传距离间的相关性进而推测最可能的 基因流路径 m i c h e l s e ta 1 ，2 0 0 1 。可选路径方法包括水生或河岸物种栖息的河流距离， 适宜生境的最短直线距离。最低成本模型基于被动的水流扩散，地形和湿度、热量覆盖 s t o r f e r e ta 1 ，2 0 0 7 ；m i c h e l se la 1 ，2 0 0 1 。例如，a r n a u d 2 0 0 3 计算了蜗牛采样点间的 最低成本路径，发现运河堤坝是较适宜的蜗牛迁徙生境。运用m a n t e l 相关图，最低成 本距离显示出比直线距离与遗传距离更强的相关性。进而，制定保护计划时更应关注运 河堤坝的保护。这些研究都证明了，预定路径和最低成本路径通常比用传统距离隔离估 算的直线距离更能解释基因流的差异。 ( 4 ) 空间自相关 典型的遗传变异空间自相关分析包括基于空间自相关m o r a n si 统计或变异函数的 量化距离尺度上的遗传变异。变异函数提供了一个景观中不同距离等级上观测点间变异 的图形描述。一般地，当观察点相距很近时，变异函数值很小，并且变异函数值随着距 离的增加逐渐增高 f o r t i n d a l e ，2 0 0 5 。例如，w a g n e r e l a l 2 0 0 5 用定向变异函数解释 了受生殖模式( 克隆生长或有性生殖) 影响而使遗传变异具有明显的方向性。变异函数 模型从数学角度描述了空间自相关，并且通过拟合v a r i o g r a m 模型与经验性的变异函数， 来估计考虑到空间自相关的种群变异。由此，变异函数模型提供的参数估计在不同研究 中具有可比性 w a g n e re ta 1 ，2 0 0 5 1 。 6 西北人学硕j j 学位论文 1 1 5 景观遗传学研究意义与存在问题 景观遗传学能够从遗传进化的角度研究景观破碎化对物种和种群的影响。它通过解 译存在于种群内和种群间的空间遗传格局( s p a t i a lg e n e t i cs t r u c t u r e ，s g s ) ，去推测景 观格局和环境因子对物种进化的影响。同时它还具有很高的应用科学价值，例如确认降 低基因流或遗传多样性的具体人为障碍，预测不同的管理保护策略对遗传变异和种群连 通性的影响，确认潜在的生物廊道进而制定合理的恢复计划。其研究结果将为景观管理 和生物保护提供有意义的参考 m a n e le ta 1 ，2 0 0 3 。 景观遗传学的出现既令人兴奋又面临挑战，它第一次将从事景观生态学，地统计学， 地理学和种群遗传学研究的科学家们联系起来。空间分析的技术革新伴随不断增多的可 用空间数据及高变异的遗传分子标记为我们研究景观遗传学提供了更多的便利，很多成 熟的景观生态学和空间统计方法已经应用于地理遗传学研究，同时又出现了多种空间统 计分析类型 e p p e r s o n ，2 0 0 3 。与此同时，由于大量的空间分析技术都能够应用于种群遗 传数据研究，在具体设计和实施景观遗传研究时，方法选择成为困扰科学家的一个难题， 众多不同的方法很容易引起混乱，所以非常有必要加强不同学科科学家彼此之间的沟 通，共同促进这一新兴学科的发展 s t o r f e re ta l ，2 0 0 7 。 1 2 景观遗传学中的分子标记 “ 景观遗传学研究所采用的分子标记与群体遗传学相似。从景观遗传学的研究步骤可 以看出，根据不同研究目的，能够检验种群遗传结构的分子标记均可用于景观遗传学研 究。下面仅简单介绍本研究所采用的分子标记： 一般而言，在生物的整个基因组中大部分基因为非编码基因，其中一部分基因由或 长或短的碱基序列以不同的重复数目组成，分布于整个基因组中。这些序列在生物进化 过程中通常没有被选择，即使在同一物种内非亲缘关系个体间基因序列亦有巨大差异。 同时由于其重复性，可产生大量的可描述的有差异的d n a 位点( 基本单位或核心序列 的重复数不同) ，可以帮助人们从d n a 分子水平上认识品种及个体问的遗传差异 孙允 东等，2 0 0 2 。我们称之为简单重复序列( s i m p l es e q u e n c er e p e a t s ) ，简称s s r ，又称之 为微卫星d n a ( m i c r o s a t e l l i t ed n a ) 。 s s r 标记技术的特点在于：s s r 标记技术一般检测到的是一个单一的多等位基 因位点；s s r 呈共显性遗传，符合孟德尔遗传规律。故可鉴别杂合子和纯合子，对 个体鉴定具特殊意义；s s r 标记技术所需d n a 量少，仅需微量组织。即便d n a 降 7 第一章前言 解，其刃i 能有效地分析鉴定；s s r 标记数量丰富。标记覆盖整个基因组，而且分布 均匀；实验重复性好，结果可靠性高；s s r 序列的两侧顺序常较保守，在同种不 同遗传型间多相同；多数s s r 无功能作用，增加或减少几个重复序列的频率高，因 而在种间具广泛的位点变异，比r a p d 及r f l p 分子标记具多态性f 周延清，2 0 0 5 。 其中，s s r 最大的优点为s s r 产物进行测序胶电泳分离具有单碱基的高分辨率。因 此能检测很高的多态性，遗传信息量较大。s s r 标记也存在其自身的缺点，就是必须针 对每个染色体座位的s s r 定位并找到其两端的单拷贝序列设计引物。 叶绿体微卫星( c h l o r o p l a s ts i m p l es e q u e n c er e p e a t ，e p s s r ) 是近年来发展起来的一种 新型高效的分子标记技术，由于具有微卫星或称简单序列重复( s s r ) 标记的优点又兼 顾到叶绿体基因组( c h l o r o p l a s td n a ，c p d n a ) 多拷贝、单亲遗传的特点，所以e p s s r 可用来鉴定种甚至亲缘关系很近的种，描述区域和个体水平的遗传差异，目前广泛用于 植物群体遗传结构分析、系统发育分析研究 k a u n d u n e la l ，2 0 0 2 。 1 3 松属植物景观遗传学研究现状 温带树种主要显示较弱的或近乎无的种群内遗传结构 b e r g h a m r i c k ，1 9 9 5 ； l e o n a r d i m e n o z z i ，1 9 9 6 ；p a r k e re la 1 ，2 0 0 1 。松树通常也表现出随机的或仅仅微弱 的基因型空间自相关分布，这是主要借助风媒传粉和种子散播的远交物种的一种典型模 式 x i e k _ n o w l e s ，1 9 9 1 。例如，黑松的空间遗传变异表明其基因型的近随机分布和弱 的短距离遗传结构。人们观察到的这些树种中的微弱的遗传结构可能是相近的生活史特 征所致，包括较长的寿命，较高的花粉和种子扩散能力和伴随重叠种子雨而形成的较高 成体密度 h a m r i c ke t 口正，1 9 7 9 ，1 9 8 1 ；y o u n g & m e r r i a m ，1 9 9 4 】。 然而景观遗传学研究能从不同角度阐述包括松属植物在内的针叶树种时空遗传结 构的细微变化。如m a r s h a l l 等 2 0 0 2 研究p i n u sc o n t o r t a 的地理距离与遗传距离的关系， 发现1 0 0 0 公里内的居群间存在明显的遗传相关性，说明该种近期经历过快速的种群扩 散。关于北美乔松( p s t r o b u s ) 的研究则更为集中，m a r q u a r d t p e 和e p p e r s o n b k 2 0 0 4 】 用7 个微卫星位点标记对比研究了p s t r o b u s 原生种群和次生种群的空间遗传结构，原生 种群中1 5 米尺度上存在弱的空间自相关性，符合距离隔离模型，而次生种群的基因型 是随机分布的，砍伐可能是造成次生种群空间遗传结构缺乏的原因。在时间尺度上， r a j o r a 0 p 等 2 0 0 0 同样1 3 个微卫星标记对安大略湖两个两邻p s t r o b u s 原生种群采伐前 后的遗传多样性和基因库进行对比，结果表明两个种群在采伐前后其遗传多样性发生了 西北人学硕i j 学位论文 同步变化：在每个立地上，当树林密度减少7 5 后，总的和平均等位基因数目减少了大 约2 6 ，约1 8 和2 1 的低频等位基因及7 6 和9 2 的稀有等位基因分别在采伐后的 两立地中丧失。相似的研究结果也见于e p p e r s o n b k 和c h u n g m g 2 0 0 1 采用4 个等位 酶位点的研究。同时，等位酶