（作物遗传育种专业论文）中国刺槐次生种源遗传结构及遗传多样性研究.pdf

摘要 广泛搜集我国不同地区剌槐( r 曲m 缸瑚e 姒a d c 纽l ) 种源种子1 9 份，测定了器 f 源蕈申 子的发芽特性，分别在河北保寇、邢台沙河、石家庄高邑林场不同立地条件林术场建立了刺 撬种源试验耱，敲掰态标记、垒纯标记、d 黼标记不嚣水平分橱了裁撬群俸静速镬结构帮遗 传多样性，井取得了初步结果。 1 、1 9 个种源种子特性( 千牧重、发芽势、发芽率、发芽指数、8 _ 淀粉酶活性、一淀粉 酶) 差异鼹著，闺1 9 个种源种子采收期和保存期不同尚不能确定这种差异是遗传因素差异 还燕嚣壤瀚影响，种子特往箍差异焉予搔鬃静源试验播种。 2 、蘩l 撬静源试验采弼陵瓿涎组撵列设计，测定不阊魄京同一时赣的植株离度翻造衽两 个形态性状，代表不同釉源生长状况的遗馁差异。结聚显示：( 1 ) 3 个试验点内各剃槐葺孛源 间存在显著差辩，其中，邢台和石家庄试验点刺槐种源间在株高和地径上均选到0 ，0 1 水平 稷摄著差异，保定试验点剩槐穰高藕缝径燮异在o 0 5 水平达虱美著差舜。表明同一立越条 传下，不间静源懿生长差器主要惠遗传因素蹶决定鳇，不凰秘源遂传续擒存在差异。( 2 ) 3 个试验点刺槐群体间联合方差分析表明，不同种源间在株高期地襁上存在极强著差异，3 个 地点之间也存程显著差异，同时，立域环境因子与种源之间存在显著的蕊作关系，袭明刺槐 耪潍对不嗣环壤条俸逶盛髅存丧差募。( 3 ) 3 令撼盎弹滚试验靛翅步结果显汞来鑫瓣托遂纯 的种源( 1 l 号) 在各试验点生长表现较好。 3 、袋用聚阉烯酰胺电泳( p = a g e ) 和淀粉凝腔电泳( s g e ) 测定了淀粉酶( a “秽) 、荧光酗酶 ( f e ) 、亮氨酸羝基戢酶( l 神) 、舜柠檬酸脱氯酶( i 曲) 、苹果酸脱氢酶( m d l l ) 、6 一硫磷酸葡萄 糖簸脱氢酶醴两) 、莽荤觳脱氢酶s k 国7 静等链酶交萍，觚生纯承平分析了剿橇群体静遗 传缝构和遗传多样性，结暴显示：( 1 ) 7 静等位酶共有1 4 个位点，1 2 个位点为多签性，共 4 0 个等位基因。( 2 ) 在整个群体婷位基因平均数嗣( a ) 为2 9 5 0 0 ，等位基因平均有效数目“8 ) 为2 钓5 3 ，颈藕杂合子蠹( 撩) 平均值为o ，5 3 0 5 实鞴杂合子度( 勘) 平均馕为o 4 。6 5 ， 固定指数( ，) 平均毽为馥0 8 4 6 。 是一个物种或种以下群体在空间上的遗传学缎成及势袁状况，鼯 种蠹不弱群体乏阀移同一群体内不髑个体的遗传变舜“”。遗传多样性a 融n e 畦cd i v e 鹳i 嘲是生掳多 样性的核心，广义上是指地球上所有生物携带的遗传信息的总和，而狭义上讲是指种下不同群体 之闻域一个种群内不同个体基因频率变化形成的遗传变异静总和陋。”。鸯物在长期谶他过程中， 由于突变、交配礤统、遗传漂变、基西流动及自然选择等园索，群体肉豹个体表现如不同程度韵 遗传变异。群体遗传结构的模型有陆岛模式( c o n d n e n t 也l a n d m o d e l ) 、海岛模式( b l a n d m o d e l ) 、阶 虿模式( s e 卵i b g * s t 油em o d 蠛、距离蕊燕搂式g s o l 聪。垂b 弘s 缀l c em o 瞧玲、层次模式e 强e 戳h i c a l 2 孛鏊察l 狻次生静深透矮结鹚投遴矮多撵注臻究 m o d e l ) 1 。一个物种或种群的进化潜力和对环境的适威能力取决于该种的群体漶传结构和遗传多 样性。一个物种或种群遗传结构越复杂，遗传多样性越丰富，对环境变化的逡应能力就越强，越 容易扩展萁分布范围和开拓新的环境，遗传多样性是物种以上各水平多样性的摄重要来源。群体 遗传结构和遗传多样性的研究谢不同方法，对于以数黛性状变异为主的遗传变异，因为环境影响 魄嚣豢较大，逶露薅耩准差( s 黼、变异系数e v ) 嚣遴接力寒度量，如形态警瞧获致痉量；焉黠 子戳震裁缝袄为主豹遗转变异，剿要扶缨麓学标记、垒他标记、分子标记寒麓爨群体的摹因交纯。 衡量群催内变异水平和遗传结构的指标有每位点基豳型数( g ) 、等位基因的藏因频率( p ) 、每个 位点等位撼因数( a ) 、每个位点的等位基因有效数目( a e ) 、平均每个位点预期杂合度( 盹) 、平 均每个位点实际杂合度( b ) 、嘲寇指数( f ) 、群体内罄园多样度( b ) 、憋群体的基因多样度 ( 曲) 、备群体闻的基因多样度( 协f ) 、基因分化系数( g 旨) 等o ”，群体的遗传鳍拇是一个物静 最基本熬姆惩之一，群髂速健终梅上戆差舅是运转多榉瞧麴一稳重要簿璃，秘群遗缍续梅稆逮搀 多样性豹研究具有重要豹理论鞠燕骣意义。首先，生物群体中遗传变募豹大小与其进化速率畿正 比，对溃传多样性的研究可以搦辑物种或居群的进化掰史，也能为进一步分析其进化潜力和未来 命运提供蘸要资料。其次遗传多样性是保护生物学研究的核心之一，了解种内遗传变异的大小、 时空分布殿其与环境条件的关糕，就可采取科学有效的措施来保护人类赖以擞存的遗传资源，挽 救灏予绝灭的耪静，保护受威胁熬物静。对珍稀濒筑物辩保护方针和措施的剁订，翅采样簧略、 迂逡载靛魏保护翁选择等等，粼蠢戆予羲弱对餐耪遗镄多撵蛙鹁谖识。再次，瓣遗簧多样往靛试 谖是生物备分支学辩重要豹胬嫩赉瓣，对遗傣多样幢髂研究有助予入 f j 更清楚瑰认识生物多样性 的起源和进化，尤其能加深人们对微观进化的认识，为幼植物的分类、进化研究提供有益的资料。 还有，从缴产应用角度来看，遗传多样性研究为育种和遗传改良奠定基础，特别是对林本种质资 源的收集、保存、评价和利用均具胄十分重要的意义f ”o ”。 2 。2 遗传多样性蠢记 遗传多样性体现在不同水平上；居群水平、个体水平、组织和细胞水平以及分子水平，相应 的遗传多样性可从不同水平进行标记研究。遗传标记( ( e n e 血m 破e r ) 指的是任何一种可随染色 体、染色体菜一节段、某个基魏鹰在家系中传递的遗传特性。它其有两个纂本特征：可遗传性帮 可瑷裂拣，是终蘩逮砖弯静豹鬟溪王粪。逮簧蠡记要裁援鸯效逮摹l 焉于作物遗媾弯耪孛应吴毒嚣 个薹本条掌# ，郎多态桎熹、共纛拣、对农艺性捩影嫡小、经济方便、易于蕊察记载。凡是生物豹 任何有麓弗表型的基因突变型均u 盯作为遗传标记。目前遗传标记主要有4 种裳型，即形态标记 0 订o r p h 0 1 0 廖c a lm 盯l c e 勰) 、细胞标记( c y 【o l o 百c a lm 甜c e r s ) 、生化标记( b i o c h e 僦c a lm 砌汜r s ) 和d n a 标记( m 0 1 e c u l a rm a r l r s ) f 6 埘。 ( i ) 澎豢标记：藏是指生劫特定的痰腰霹见懿步 端特摄，摇棱赞静拣蹇、蹄形、果实颜色等。 歇广义上游，形态稼诞还包括鸯色素、垒蓬生理特性、撬瘸抗垒有关魏标记。遮黉耩谗篱单壹麓、 经济方便，但在作物遗传育种中的应用是有限的，主簧裘现在：多数标记性状是由突变产生的， 往往对植株的生长发育产生不鼹影响( 如叶绿素缺失、叶片形态改变等) ，而且在一个杂交群体 后代中可梭测到的突变体有限。猫费时间较长；数鬣是有限的，且多态性较麓，作为遗传标记 3 河北农业大学博士学位( 毕业) 论文 的表型性状受环境条件的影响，常有一些标记与不良性状连锁：标记性状的基因互作( 如上位 性效应) 使得同一性状的表型在不同的遗传背景下常表现不同；应用此类标记建立经典遗传图 谱周期长，所含标记少，饱和度低“。7 。 ( 2 ) 细胞学标记：细胞学标记指植物细胞染色体的变异。它包括染色体核型( 如染色体数目、 结构、随体有无、着丝点位置等) 和带型( 如c 带、n 带、g 带等) 的变化。1 9 1 0 年以后，摩 尔根将孟德尔所称的“遗传因子”的行为与细胞核染色体的行为结合起来进行研究，将“遗传因子” 基因落实为染色体上占有定位置的实体，这导致了细胞遗传学的诞生。显微镜技术的改进 使人类建立了染色体核型和带型分析技术来鉴别宏观物种的分类及核型演化。除核型和染色体分 带技术外，染色体结构变异如缺失、易位，非整倍体如缺体、单体、三体等都有其特定的细胞学特 征，也可作为一种细胞学标记。与形态标记比较，细胞学标记具有能进行一些主要基因的染色体或 染色体区域定位的优点。但其材料的培育费力费时，难度很大；某些物种对染色体变异反应敏感； 有些变异用细胞学方法检测较困难。目前真正应用于作物遗传育种研究中的细胞学标记还很少9 】。 ( 3 ) 生化标记：生化标记主要是同工酶标记。同工酶是指一个以上基因座位编码的酶的不同 形式，而等位酶是同工酶的一种，指由一个基因座位的不同等位基因编码的酶的不同分子形式。 1 9 4 1 年美国遗传学家和生化学家通过研究红色面包霉的生化突变型，对一系列营养缺陷型的遗传 分析提出了“一个基因一个酶”的假说，创立了生化遗传学。6 0 年代出现了同工酶标记，可从蛋 白质水平上反映生物的遗传变异。酶标记的基本原理楚根据电荷性质差异，通过蛋白质电泳的染 色反应显示出酶的不同形式，从而鉴别不同基因型。生化标记具有以下优点：袭现近中性，对植 物经济性状一般没有大的不良影响：直接反映了基因产物差异，受环境影响较小曙2 2 3 。8 1 2 。 ( 4 ) d n a 标记：d n a 标记是指能反映生物个体或种群闯基因组中某种差异特征的d n a 片段， 它直接反映基因组d n a 间的差异。1 9 8 0 年美国的b o 螺t e i n 等首先提出d n a 限制性片段长度多 态性( r f 9 可以作为遗传标记，从此开创了直接应用d n a 多态性标记的新阶段。r f l p 标记的诞 生大大加速了多种生物遗传图谱的建立和发展，同时也提高了基因定位的精度和速度，也从一个 方面推动了人类基因组和各种基因组计划的出台和进展穗o 年代后期，d n a 多聚酶链式反应( p c r ) 的发展，也使直接扩增d n a 的多态性成为可能，在此基础上又产生了多种标记，d n a 分子标记 根据检测手段，可分为四大类( 类型) ：第一类是以电泳技术和分子杂交技术为核心的d n a 标记 技术，包括限制性片断长度多态性d n a ( r f l p ) 、可变数目串联重复位点( v m 限s ) 多态性分 析、m r n a 差别显示技术( d d 胙p c r ) ；第二类是以电泳及p c r 技术为核心的d n a 标记，包 括随机扩增多态性d n a ( r a p d ，r 锄d o ma m 曲f i 酣p o l y i 娜1 1 i cd n a ) 、序列特异性扩增区 ( s c a r s ， s e q u e n c eo l a r a c 诎妇da m p h 丘e dr e 酉。璐) 、简单序列重复片断( s s r ) 、扩增片断长 度多态性( a j 吧p ，a m p h l i e d 胁g m m k n g 出p o l y n l o r p l l i s m ) 、单引物扩增反应( s p a r ，s i n 9 1 e p r i 屺r a m p l i f i c 撕o nf r a 鲫舱m k n g t l lp 0 1 ) r 1 0 重p l l i s m ) 、序列标签( s t s ，s e q u e i l c e n g g e d s i t e ) 等：第三 类是以测定单核苷酸差异为核心的标记技术，包括单核苷酸多态性( s n p ，s i n g l en u c l e o d d e p o l y m o r p l l i s m ) 、内含予长度多态性( i f l p ，i n 们nf m g 地n tk n g t l lp o l y m o r p l l i s m ) 、粘扩增多态 性序列( d c a p s ，d e r i v e dc l e a v e da h l p 吐f i e dp 0 1 y m o r p h i cs q i l e i l c e ) 、单线构造多态性( s s c p ， s i n g l e s 昀n dc o n f o 砌a t i o np o l y m o r p l l i s m ) 等；第四类是以d n a 序列为核心的d n a 标记，其代 4 中国刺槐次生种源遗传结构及遗传多样性研究 表性技术有内转录空间测序分析( s ，h l l e m a lt f a i l s c m i e d s 口a c e ) 技术、d n a 扩增指纹图谱( d a f ) 等。d n a 标记系统已用于遗传多样性研究及种质资源鉴定，重要性状的基因定位，质量性状基 因标记，数量性状基因标记，分子标记辅助育种，重要农艺性状的图位克隆，起源与进化关系研 究，育种中杂交亲本的选择、杂种优势的预测等。d n a 标记的优点有：大多数d n a 标记表型 中性，对植株不会产生不趣影响；d n a 标记是利用d n a 序列上大量的自然变异，直接反映了 植株的基因型，其表现是独立的，不受季节、环境条件和基因互作的影响。不存在表达与否等问 题：数量极多，遍布整个基因组，可检测座位几乎无限，其检测不受生物体的组织、发育阶段 的限制：多态性高；许多标记表现为共显性的特点，能区别纯合体和杂合体1 9 3 ”5 。 等位酶标记技术自问世以来，广泛应用于有关植物自然种群的遗传变异和遗传结构方面的研 究”；在诸多d n a 标记中，s s r 标记多态性水平高、结果稳定，被认为是群体遗传变异的最好 标记方法。本试验应用等位酶标记和s s r 标记分析刺槐次生种源的遗传结构和多样性，对两 种标记方法分别予以介绍。 2 2 1 等位酶标记 等位酶( a 1 1 0 z y m e ) 是同一基因位点的不同等位基因所编码的一种酶的不同形式。作为结构基 因编码的产物，其变化能很好地代表d n a 分子水平上的变化，表明等位基因变化的存在。因此， 等位酶标记是从蛋白质水平上反映生物的遗传变异的生化标记。1 9 5 9 年m a r k e r t 和m 0 1 1 e r 报道了 乳酸脱氢酶在不同组织、不同个体以及不同种里的不同存在形式，提出了“同工酶”的概念。1 9 6 9 年p m k a s b 提出了同一基因位点的不同等位基因所编码的一种酶的不同形式，即“等位酶”概念， 把“等位酶”从广义的“同工酶”的概念中分离了出来。等位酶是结构基因编码的直接产物，遗 传和表达遵循盂德尔定律，作为基因的标志，它比形态特征更直接地反映了遗传信息。等位酶是 等显性表达的，不受隐性和显性或多基因控制。等位酶分析实验取材方便，操作简单易行。对植 物来说，只要取少量鲜活的叶片、根、茎或花就可以了，不受细胞分裂时期的限制。等位酶分析 试验结果明确，可比性强，电泳结果在凝胶上显示为水平的条状的带谱，可以很容易地判断其中 任何两条带位置的相同与不同，从等位酶的表现型上可以直接分析识别出编码它们的基因。从酶 谱上识别出等位基因后，就可以直接统计出等位基因频率和基因型的频率。通过统计、分析，可 以计算出个体或种群问之间的遗传相似度和遗传距离，从而判断个体或种群间的遗传学关系。在 一些个体或种群中，某些基因发生了变化时，由其基因编码的蛋白质也可能发生变化，通过检测 等位酶的多样性有可能发现这种基因变化，这对研究物种的变异、遗传学上的多样性和进化生物 学有帮助。但是，有些酶电泳技术和染色方法方面存在一定的难度，而且可使用的等位酶标记数 量有限，因此在一定程度上限制了它的实际应用。等位酶检测的流程为：酶系统的确定；制胶； 酶液提取；电泳：切片，染色：结果观测、记录和照相；实验数据的统计和分析o t 2 3 2 8 瑚】。 2 2 2s s r 标记 s s r 标记是d n a 标记的一种，生物的遗传信息储存于d n a 中，基因组d n a 序列的变异是 河北农业大学博士学位( 毕业) 论文 物种遗传多样性的基础，利用现代分子生物学技术揭示d n a 序列的变异，就可以建立d n a 水平 上的遗传标记。1 9 7 4 年s h n n e r 等在研究寄居蟹的d n a 序列时，发现有一些类似于f t a g g ) n 的 熏复序列存在。1 9 8 4 年1 n a u t z 等人发现在人类、动物、真菌以及植物基因组中广泛存在着以单核 苷酸、二核苷酸、三核苷酸和四核苷酸为基序、重复数1 0 5 0 次的重复序列，并将这些重复序 列称为简单重复序列( s i m p l es e q u e n c er e p e a t s ，s s r ) 。s s r 长度多态性形成机理有几种假说，主 要包括：滑动假说、不均等交换假说、熏组假说以及其他的关于d n a 聚合酶校对功能的假说。 但大多数研究者比较倾向于滑动假说，即s s r 序列长度多态性主要是由于在重复序列复制过程中 d n a 聚合酶的滑动( s u p p a 窖e ) 及错配修复( m i s 蝴i c hr e p a 砷而形成的。由于s s r 在高等植物中一 般位于基因组的非编码区，其位点上的错配和突变极少影响生物个体的生存和繁殖力。表现为中 性进化。另外除染色体着丝粒附近区域外，s s r 在染色体上的分布没有明显的差异，基本上是均 匀分布。s s r 标记的特殊性及重要性在于其有以下特征：均匀，随机，广泛地分布于生物基因组 中。s s r 序列的两侧顺序常较保守，在等位基因间多相同。多数s s r 无功能作用，增加或减 少几个重复序列的重复数不影响生物的正常生长发育，因而在品种间有广泛位点变异，比r f l p 及r a p d 分子标记更具多态性，尤其对花生、六倍体小麦等用常见d n a 标记技术检测不出很多 d n a 片段多态性的作物品种来说，具有更大的研究价值和应用前景。呈盂德尔式遗传，共显 性，因而对个体鉴定具特殊意义。仅需微量组织，即便d n a 降解，也能有效地分析鉴定。 虽然开始筛选重复序列和引物设计过程较幔，但只要确定了b i 物，结果稳定。s s r 检测的流程为： 物种d n a 的提取和纯化( ( m 螺法或常规的酚，氯仿提取法) ；d n a 的p c r 扩增( 扩增条件因d n a 浓度、碱基比和序列长度不同而有所不同) ；d n a 扩增序列的电泳检测( 电泳可在聚丙烯酰胺或琼 脂糖凝胶上进行) ；染色( 染色可用同位素、银染、e b 或s y b r g r e e n 等方法) ：结果观测、记录和 照相；实验数据的统计和分析。s s r 的引物设计：s s r 标记的多态性主要依赖于基序重复次数的 变异，而这种变异在生物基因组中是大量存在的，检测s s r 标记的关键在于必须设计出一对特异 的p c r 引物。现在获得引物的途径有3 个：从数据库或已发表的有关文献中查询：使用亲 缘关系比较接近的其它物种的引物；根据s s r 两侧一般是相对保守的单拷贝序列在同一物种 间有高度保守的特性，从而自行设计引物。s s r 标记在林木遗传育种中的应用前景十分广阔，它 可用于植物遗传多样性研究、基因型鉴定、遗传图谱构建、q t 乙定位、种质资源保存、濒危物种 保护、基因流监测、群体的遗传漂变、基因突变及系统发生等领域3 ”5 舯7 “。 2 3 种源试验 种源( p r o v e n a n c e ) 是取得种子或繁殖材料的原产地。种源试验( p r o v e n a n c e 强a 1 ) 是将地理起源 不同的种子或其他繁殖材料，放到一起所傲的栽培对比试验。种源试验通过对种源的搜集，可以 研究林术地理变异的规律性，阐明其变异模式及其与生态环境和进化因素的关系，并选择生产力 高、稳定性好的种源，为区划种子或种苗的调拨范围提供科学依据，为进一步杂交育种提供原始 材料。国外种源试验的工作开展得较早，1 7 4 9 年瑞典进行了最早的橡树种源试验。随着达尔文物 种起源的发表，种源试验的理论基础得到证明。自1 9 世纪末，欧洲许多国家进行了比较正规 的种源试验。1 8 8 7 年，奥地利建立了第一个欧洲赤松种源试验基地。2 0 世纪以来，林木种源研 究日益受到世界各国的重视，很多试验是以国际合作形式进行的。我国种源试验的工作起步较晚， 6 中国刺槐次生种源遗传结构及遗传多样性研究 “六五”、“七五”国家科技攻关计划设立林木良种课题，全厩开展了主要造林树种的种源试验。 到目前为止，先后对马尾松、侧柏、桉树等3 1 个树种进行了全分布区域或主要分布区的种源试 验，揭示了主要性状地理变异及其规律，选择出一批优良种源，划分了种源区。种源试验的方法 有全分布区试验和局分布区试验，采集树种点要求有全面性、代表性，采种母树一般不少于3 0 株。通过苗圃试验进行造林试验，试验地多采用随机区组设计，每个区组包括全部试验种源，每 一个种源为一个小区。先前的种源试验多应用形态标记和生理指标测定”4 ，而分子标记等新技 术在种源研究中的应用相对较少，只在栲树群体的遗传结构和栓皮拇群体的遗传多样性研究上曾 见报道【4 1 ”。 2 4 刺槐栽培与利用研究概况 2 4 1 剌槐的生物学特性及价值 刺槐属豆科刺槐属落叶乔木，树冠近卵形，树皮灰褐色至黑褐色，纵裂。小枝褐色或淡褐色， 光滑。在总叶柄基部具有大小、软硬不相等的2 托叶刺。小叶7 1 1 个，长椭圆形或卵形。3 5 年生开始开花结实，l o 年生以后大量结实。花期4 5 月，果期9 1 0 月。花两性，花冠白色， 具清香气。荚果矩圆状条形，扁平，棕褐色，长4 l o c m ，宽1 1 5 c m ，沿腹缝线有窄翅。种子 扁肾形，黑色或暗棕色，有淡色斑纹。刺槐叶片营养丰富，是很好的饲料作物；刺槐保持水土能 力很强，是很好的绿肥作物；刺槐耐轻盐碱，是改造盐碱地的先锋树种。在城市绿化、美化和香 化的生态工程中，刺槐具有潜在的应用价值及巨大的潜在社会效益与生态效益f 4 “目；刺槐材质重 而坚硬，抗压强度高。纹理细致、耐磨和耐腐，宜作矿柱材和桩材，家具、农具、水工和术工用 材“9 5 “；刺槐属豆科，有很强的固氮能力”5 “，刺槐树叶一般含粗蛋白2 0 3 0 ，赖氨酸1 2 9 、 蛋氨酸0 0 3 、芬氮酸o 5 6 、异亮氨酸1 1 5 、缬氨酸1 4 5 、亮氨酸2 0 1 和苯丙氨酸1 2 9 ， 此外还含有胡萝h 素、维生素，是具有良好营养价值的饲料添加剂。刺槐花既是生产洋槐蜂蜜的 重要蜜源，又可以从中提取香料，刺槐花精油的主要成分是单萜类和倍半萜化合物，其含量为n 一蒎烯1 1 3 、香叶烯5 1 2 、a 柠烯5 0 9 2 、y 一萜品烯1 2 7 8 和麝子油烯1 o 等，用刺 槐花浸膏和精油配制香精可增加天然鲜花感。刺槐花还有解痉、清热、祛痰等医药作用，临床上 治疗急慢性肾炎、屎毒症、肾性高血压、膀胱炎和泌尿系统等疾病。刺槐种子最大的用途是加工 成槐豆胶，它由刺槐种子的胚乳部分经焙炒后，用热水抽提，除去不溶物后，浓缩干燥、粉碎而 戒工业上常用于增稠剂、稳定剂、胶凝荆和乳化剂等【l o “ “”。 四倍体刺槐是韩国山林厅林术育种研究所培育丽成，藐国于1 9 9 5 年引进。分为速生用材型 和饲料型两种。速生用材型刺槐与普通刺槐相似，速生性更为明显。饲料型刺槐无刺，呈灌木状， 主干不明显，叶子大小为普通刺槐的2 倍以上，叶肉肥厚，复叶的干重及单株叶的总干重均为普 通刺槐的1 5 倍以上四倍体刺槐为荒山造林的先锋树种，有一定的抗旱、耐烟、耐瘠薄、耐盐 碱能力，同时根蘖性强，具有根瘤，可以固定大气中的氮，增加土壤中的有机质含量和改普壤 的团粒结构，是改良士壤、保持水土、防风固沙和“四旁”绿化的好树种“6 “。 7 河北农业大学博士学位( 毕业) 论文 2 4 2 国外刺槐栽培与利用研究 刺槐原产美国东部的阿柏拉契山脉( m t a p p a l a c 1 i a n ) 和奥萨克山脉( m t o z a n k ) 一带，但在全 世界分布范围很广。各国学者对刺槐进行了研究，在匈亚利、德国、罗马尼亚、保加利亚和韩国 等对刺槐的研究比较深入。匈牙利是刺槐栽培面积摄大和栽培时间最早的欧洲国家之一【6 “”，匈 牙利林木育种学家k e r e s z t e s i 编辑的英文版的b l a c kl o c u s t ( 即刺槐，我国林学家王世绩等先生 翻译成中文) 描述了匈牙利的刺槐培育利用现状和技术。刺槐的最早和较系统的研究在德国，近年 来德国致力于刺槐资源搜集、不同耍求的品种选育、树木混变培育、能源替代等方砸研究【l o u “5 ”。 2 - 4 2 1 资源搜集、种源试验 s l l r l e s ( 1 9 8 9 ) 通过对2 3 个种源1 8 种等位酶分析研究了美国天然分布区刺槐的遗传变异。 结果发现，8 8 的变异存在于种源内，没有形成明显的地理变异模式，只在地理界限明显的种源 间遗传分化较大，认为对于刺槐资源的选择应以种源内的遗传分化为主惭j 。m a i o r ( 1 9 9 8 ) 从匈牙利 不同地区的种源问筛选出3 6 个刺槐无性系为试验材料，测定了1 0 种同工酶和1 5 对r a p d 引物 扩增产物的变化通过主成分分析和聚类分析，证明不同无性系间存在显著差异，无性系闯的遗 传分化与无性系的地理位置有一定的相关性【6 7 j 。杨敏生( 2 0 0 4 ) ， i e i k e ( 2 0 0 4 ) 以欧洲和美国的1 8 个刺槐种源为试验材料( 匈牙利6 个、斯洛伐克2 个、德国8 个、美国2 个) ，测定了1 1 种等位酶 系统，分析了其中多态性高、差异大的7 种等位酶系统的遗传变异，研究了欧洲刺槐种源的遗传 结构和遗传多样性，证明匈牙利、斯洛伐克的种源等位酶遗传变异水平高于德国的种源，匈牙利 和斯洛伐克的种源群体间遗传差别小，群体内遗传差异大；而德国种源间遗传差别较大，群体内 遗传差异相对较小。欧洲种源间没有形成明显的地理变异模式，刺槐遗传多样性丰富，遗传改良 存在巨大的潜力，应主要集中在群体内个体改良上，通过个体选择可取得较大的遗传增益陋8 8 i 。 2 4 2 2 刺槐生理 对刺槐生理代谢研究早期多是有关抗逆性的研究，近期则向微观方向发展迅速，有关分子机 理的探讨增多。k 赶l ( 1 9 9 7 ) 研究了刺槐术材特性与环境的的相关性，生长期达3 0 年以上的刺槐无 论是新鲜的或风干的木材都可作为术材形成过程的一些物理指标，r e d e i ( 2 0 0 2 ) 研究了匈牙利刺槐 木材的选择和管理哪oj 。在抗性研究方面：s i m i n o v i 蛐( 1 9 6 8 ，1 9 7 5 ，1 9 7 7 ) 、b r o w n ( 1 9 7 7 ) 研究了 细胞膜的不饱和脂肪酸和膜结构与抗寒性的关系，对不同生长时期刺槐的抗寒性进行了比较o ”一 ”1 。很多学者研究了刺槐的抗逆性”4 一”j 。z a 嘴。船( 2 0 0 哟研究了转基因刺槐的抗除草剂，通过农 杆菌载体s a a t 介导的刺槐抗除草剂转基因植株，转化率达2 1 8 1 - “。s 眦l a i r ( 2 0 0 5 ) 通过测定干 旱条件下刺槐蒸膊速率的日变化，研究了剌槐的抗旱性，在田间最大持水量下降的o 2 3 与0 3 2 之间时，刺槐的蒸腾速率几乎不受影响，当超过这一界限到下降0 5 时，蒸腾速率直线下降9 ”。 刺槐是豆科植物，固氮机理的研究一篮受关注，m e c h 吐l i l d ( 1 9 9 1 ) 、j o h n s e n ( 1 9 9 1 ) 、k u r t f l 9 9 2 ) 、 k i r s t e n ( 1 9 9 9 ) 、n t a y o m b ”( 1 9 9 5 ) 、c b u n j i e ( 2 0 0 3 ) 、f e n g ( 2 0 0 4 ) 、s t e v e n ( 2 0 0 4 ) 分别从不同角度研究 了刺槐固氮能力与刺槐生长的关系m 一划。在抗病性研究方面：e 1 s ( 1 9 9 5 ) 、v a n ( 1 9 9 5 ) 、e d c ( 1 9 9 7 ) 、 h o r e j s i ( 1 9 7 8 ) 分别研究了刺槐不同组织保护素的结构和提纯，并分析了保护素编码的基因畔“”。 r a k e s h ( 2 0 0 0 ) 研究了真菌处理对刺槐叶片功能的影响。v a j 丑a ( 2 0 0 2 ) 、k o v a c s ( 2 0 0 3 ) 研究了感病条 8 中国刺槐次生种源遗传结构及遗传多样性研究 件下刺槐的溃烂和枯萎过程8 ”。髓1 a s ( 2 0 0 5 ) 研究了刺槐种子蛋白的抗菌能力，从种子中分离低 分子量的肽链，对7 种细菌有抑制作用，尤其对细菌s a u r e u s 有明显的抑制作用1 7 7 】。在光合作用 特性研究：c h a p m n ( 2 0 0 1 ) 研究了刺槐光合过程中光量子的变化。s a n d u ( 2 0 0 5 ) 以3 个月的刺槐幼 苗为材料研究了强电磁场对刺槐叶绿素的影响，用4 0 0 m h z 的点磁场分别处理1 、2 、3 和8 小时， 发现每天处理2 小时，叶片的叶绿素a 和叶绿素b 的含量明显升高，而其它处理叶绿紊的含量下 降【。 2 4 2 _ 3 刺槐功能基因 随着研究的深入刺槐生长过程有关的功能基因研究受到重视”“】。h b ( 2 0 0 5 ) 以刺槐花粉细 胞研究细胞质遗传，通过荧光测定，在花粉形成的减数分裂过程中，父系细胞的线粒体d n a 明 显降解，因而细胞质遗传以母系线粒体的d n a 为主口“。协g ( 2 0 0 4 ) 以c d n a 微矩阵方法研究了 刺槐心材形成过程中基因随季节变化而表达的过程，与氮素固定有关的基因r p a l n 在刺槐种子 萌发、幼苗生长过程中，在胚芽、胚轴明显表达，而在胚根和幼根中表达不明显：在成年的木干 中，顶芽部位该基因表达明显，而在木材初生区表达不明显；该基因随季节不同表达也不同，春 季和秋季不如夏季表达明显即”】。p a r k ( 2 0 0 3 ) 发现了与刺槐根系伸长有关的生长素基因( r p a r p ) ”“。k a n w 州2 0 0 3 ) 以农杆菌为二元载体转化刺槐叶片，转化率达1 6 7 ，在刺槐转基因应用有很大 的潜力l 。 2 4 2 4 刺槐遗传、育种、生产 世界各地刺槐面积达1 8 9 万公顷，其中匈牙利有2 7 5 万公顷罗马尼亚1 9 ，l 万公顷，法国 1 0 万公顷，保加利亚7 3 万公顷，前苏联1 4 4 万公顷韩国1 0 1 7 公顷”】。在匈牙利，自2 0 世 纪5 0 年代开始大力营造速生丰产林，人工林面积达1 0 0 万公顷，剌槐是分布最广的树种，占森 林总面积的1 8 。1 9 5 1 年开始制定了以改善木材质量为目标的刺槐选育计划，获取木材己不再 是刺槐栽培的唯一目的。迄今所选育的一些优良刺槐品种，按用途划分为3 类：大径木板材型、 杆柱型、蜜源和美化环境型，刺槐的多目的利用得到了较好的体现哺3 ”1 。德国刺槐的栽植面积达 到了1 3 万公顷，近年致力于高大壹干刺槐品种的选育，已经选出3 0 个无性系，但尚在继续实验 阶段。在优良无性系的选育过程中，德国采用了组织培养法，以e w a l d 和n j o k s 为首的德国联 邦林业和木材科学研究院的科学家们设立了3 片试验地，对刺槐进行子代测定试验，其中包括通 过组培取得的3 0 个刺槐无性系子代“”。在保加利亚，刺槐是最受欢迎的引进树种，近1 5 年内实 施了大规模的人工造林，刺槐林7 3 万公顷，占森林总面积的2 3 ，刺槐林立木蓄积量3 4 0 ，8 万 立方米，刺槐育种生产中等径级的工业材尤其是坑木材和蜜源林为主【l “。韩国有世界上连片面 积最大的刺槐林，自2 0 世纪6 0 年代后刺槐推广面积迅速增加，山林厅林木育种研究所培育的刺 槐品种包括速生用材型和饲料型两种，速生刺槐作为薪炭材为居民提供了大量燃料，饲料型刺槐 的叶子作为猪和鸡的饲料，为了生产饲料，他们培育推广了叶子重量大、蛋白质含量高的四倍体 刺槐，并于1 9 9 5 年引入我国t 9 lj 。 2 4 2 5 刺槐生态效应 随着工业化进程的加快，刺槐在环境优化方面也日益受到重视1 0 “1 ”。刺槐可以作为重金属 9 河北农业大学博士学位( 毕业) 论文 污染程度的一个指标，通过对重金属的吸收达到净化环境的目的。k o n d o ( 1 9 9 8 ) 研究三种类型树 木( 针叶树、常绿阔叶树、落叶阔叶树) 对空气有害气体的吸收，结果发现落叶阔叶树( 包括刺槐) 对有害气体的吸收能力晟强”j ：c e l i k c 2 0 0 5 ) 以丹麦d e n i z 城市为地点，研究刺槐叶片重金属的 含量，在工业发达、工厂多的地区，叶片内一些重金属含量明显高于正常地区，而在交通密集地 区，叶片的铅和铜的含量明显高，因此，刺槐一方面可以作为一种检测环境状况的指标，又可以 作为大气清洁剂发挥其生态价值j 。由于刺槐的适应性广，在干旱条件下种植，可以改善当地水 分状况。在树木混交培育方面，德国北部人们常在刺槐林下播种橡树和欧洲栗等细木树种。现在 化石燃料危机，于是人们寻求廉价的能源替代品，可再生的木材成为首选，刺槐被认为是最佳的能 源载体，德国林区和一些社区乡村已建有焚烧枝桠和木材碎屑的高效燃烧炉设备，用以给当地供 应暖气和热水”“。 2 4 3 我国刺槐栽培与利用研究 刺槐于1 8 9 8 年引入我国，引进后得到迅速扩大栽植，遍布全国各地，面积约在1 0 0 0 万公顷 以上“1 】，在千差万别的自然条件和人工种植条件下，经历漫长的自然选择和人工选择过程，蕴 藏着极其丰富的基因类型形成遗传多样性。针对当地不同的生态环境条件，我国学者从形态、 生理、抗性、遗传、育种、生产等多层次对刺槐栽培与利用进行了研究。 2 _ 4 3 1 刺槐形态 南京林业大学李鹏( 2 0 0 2 ) 通过研究渭北黄土高原淳化县境内的刺槐根系垂直分布特征，研究 了刺槐对深层壤中水分、养分的吸收程度，解释了刺槐根系分布适应干旱环境的机理“”1 。浙 江林学院谢东锋( 2 0 0 4 ) 通过建立刺槐木质部栓塞性曲线来分析刺槐在不同水势条件下的水分传输 规律“】。苏印泉( 1 9 9 7 ) 对刺槐叶的亚显微结构进行了研究，认为刺槐叶具有叶面积与体积比值较 小，表皮细胞角质层较厚，叶脉发达，近轴面具有管状毛状体以及远轴面具有多细胞鳞片毛的特 征，气孔器属浅内陷型，且具较大的孔下室，叶肉中栅栏组织发达，海绵组织近于退化，厚壁及 机械组织增强，组织细胞中含有晶体和淀粉粒等诸多旱生植物特征。剌槐这些旱生特征也是长期 适应干旱地区不良水分环境的结果“”j 。 2 4 3 2 刺槐生理 水分利用效率；李洪建( 1 9 9 6 ) 对晋西北黄土丘陵沟壑区人工刺槐林的水分生态特点进行了研 究袭明蒸腾强度日变化与光照强度日变化的关系最为明显，与气温日变化的关系次之；而水势 的日变化与气温日变化的关系最为明显，与相对湿度日变化的关系次之i l ”1 。贺康宁( 2 0 0 3 ) 建立了 刺槐日蒸腾过程的p e n m a n m o n 把i 凼拟合方程，研究半干旱地区林木的实际蒸腾量，旨在寻求防 护林密度调控、提高林木水分利用率及林分稳定的指标【i ”】。田晶会( 2 0 0 2 ) 对刺槐林地的水分运动 及变化和供水与耗水关系进行了研究，确定了合理的林分密度“1 。单长卷( 2 0 0 3 ) ：对黄土高原丘 陵沟壑区3 种立地下的刺槐生长状况与土壤水分条件的关系进行了研究，表明在生长初期、中期、 末期3 个时期半阴坡、半阳坡、阳坡3 种立地间土壤水分的差异均达极显著水平“”“1 。郝文芳 ( 2 0 0 3 ) 对黄土高原不同立地类型、年生长季中不同生长时期的1 i 龄人工刺槐林地土壤含水量变化 1 0 中国刺槐次生种源遗传结构及遗传多样性研究 规律进行了研究，表明在年生长季中人工刺槐林地土壤含水量存在差异，年生长季内不同生长时 期，土壤含水量变化的速度不同“”j 。 矿质元素含量和养分积累：景立新( 2 0 0 1 ) 应用电感耦合等离子原子发射光谱法( i c p a e s ) 测 定刺槐花中f e 、m n 、c u 、z n 元素对刺槐花的药物功效，为营养开发提供了科学依据及质量检测 方法，对刺槐花中蛋白质、糖、抗坏血酸、碘值、氨基氮及微量元素等营养成分进行了测试，对 其营养价值进行了分析”。刘增文( 1 9 9 9 ) 根据养分平衡原理测算了黄土高原沟壑区刺槐人工林 生态系统的生物化学循环( 养分内循环) 和生物地球化学循环( 养分外循环) ，表明了刺槐人工林生态 系统的养分循环为土壤亏损、系统积累型的总流动趋势”2 ”。许明祥( 2 0 0 4 ) 应用时空互代的方法， 以刺槐林为代表，对该区不同利用年限的人工林土壤养分特征及其时空变化等进行了系统研究， 表明黄土丘陵区人工林土壤肥力处于低水平，人工林表层土壤养分中有机质和速效磷的空间变异 性较大“1 。刘世海( 2 0 0 3 ) 对北京北部山区刺槐林主要养分元素的积累与分配进行了研究，表明刺 槐林生态系统的总生物置( 包括乔木层、灌木层、草本层和枯落物层) 为2 1 8 1 5 2 9 2 8 5 k 叠h m _ 2 ， 刺槐林不同器官中各养分元素的含量差异较大m 】。 光合和呼吸特性：乔勇进( 1 9 9 5 ) 测定了4 个刺槐无性系扦插苗光合和呼吸特性，表明净光合 速率、呼吸速率的年变化曲线均呈单峰益线，而净光合速率的日变化益线主要是双峰曲线m “。 张守仁( 2 0 0 2 ) 研究了与变化光环境关联的刺槐光合气体交换和复叶运动，说明变化的光环境是引 起刺槐复叶运动的主要原因，而节律性运动不是刺槐复叶运动的诱导因素“。许红梅( 2 0 0 4 ) 采用 生理生态学模型对黄土高原森林草原区剌槐净光合速率和气孔导度与环境因子的关系进行了分 析，表明刺槐在午后出现的净光合速率下降主要由气孔导度减小引起n 2 ”。 抗性生理：曹帮华( 1 9 9 5 ) 选用聚乙二酵( p e g ) 渗透调节剂处理刺槐种子，探讨了p e g 处理 对刺槐种子萌发的影响，表明p e g 处理具有促进刺槐种子萌发、缩短发芽时间、幼苗出土均匀、 整齐的效益，还能明显地提高种子在不同梯度n a c l 胁迫下的抗盐能力“7 1 2 ”。毛培利( 2 0 0 4 ) 研究 了在土壤干旱胁迫下刺槐保护酶超氧化物歧化酶( s o d ) 、过氧化氢酶( c a ：i ) 和过氧化物酶( p o d ) 活 性的变化表明3 种保护酶对干旱胁迫的响应不同，干旱胁迫到一定程度3 种保护酶有较好的协 同效应共同抵御胁迫造成的膜伤害，表现出较强的自我调节能力“”。冯建灿( 2 0 0 2 ) 研究了保 水剂对干旱胁迫下刺槐叶绿素a 荧光动力学参数的影响，表明土壤中保水齐j 用量只有在不低于 0 5 k g 甜时才能有效地发挥抗旱作用“删。孙方行( 2 0 0 4 ) ：对刺槐进行3 天盐胁迫处理和1 7 天盐胁 迫处理后用逐步回归分析法分析后认为，认为细胞膜透性是影响生长的主要指标“”j 。张宝泽( 1 9 9 6 ) 测定了盐胁迫下刺槐幼苗的鲜熏和干重、细胞质膜透性、脯氨酸食量以及植物组织内n a + 、k + 含 量和叶片痰质化程度的变化，解释了刺槐幼苗的抗盐机制i l 驯。孙群 杨树刺槐混交林 杨树纯林，其原因 是由刺槐纯林枯落物c ，n 值较高，而杨树纯林枯落物c ，n 值较小所致。刺槐与杨树间作可降低 枯落物c ，n 值，加快桔落物分解速率【l “。 1 2 中冒刺槐次生种源遗传结构及遗传多样性研究 2 5 本研究的目的和意义 综合以上文献所述，刺槐是个世界性树种，用途广泛，在保持水土、防风固沙、改良壤和 “四旁”绿化中具有重要生态价值。刺槐是一种良好的饲料作物，优良的刺槐饲料林品种具有产叶 量大、营养价值高等特点：刺槐还是一个优良的木本蜜源作物，其蜜质在国际市场上被列为上等： 刺槐又是一个很好的观赏树种，国外培育的红花刺槐优良无性系，具有花色艳丽、味道芳香等特 点，极具观赏价值：刺槐是良好的用材，其材质重而坚硬，纹理细致、耐磨和耐腐，抗压强度高， 宣作矿柱村和桩材，可作家具、农具、水工和木工用材。刺槐作为一种经济作物，其生态价值和 经济价值利用潜力大“”，开发、利用刺槐资源一直为国内外广大学者所关注。 本课题组于2 0 0 3 年从全国各地收集刺槐种源1 9 个，分别从形态标记、等位酶标记、s s r 分 子标记不同水平进行测定分析，在河北省不同地区开展种源试验，旨在：( 1 ) 广泛搜集国内刺槐资 源，为开展刺槐资源选择、杂交育种提供数据和原始材料：( 2 ) 深入研究刺槐在我国形成的次生 种源的遗传结构和遗传多样性，了解刺槐在我国的遗传变异规律和地理变异模式；( 3 ) 确定生产 力高、稳定性好的种源，为刺槐良种选育、定向培育、创造高生产力的人工林生态系统提供理论 依据，对刺槐应用成为现代化农业上新的经济增长点，具有巨大的潜在生态效益和经济效益。 河北农业大学博士学位( 毕业) 论文 3 1 种源搜集 3 材料 通过与我国各省市林业局、林场、林业技术指导站和种子经销站联系，广泛搜集国内刺槐种 子。包括自吉林、辽宁、内蒙古、甘肃、山西、陕蘸、河北、河南、天津、山东、湖北、安徽、 云南等省份共收集次生种源刺槐种子1 9 份。收集到的各地刺槐次生种源来源如图l ，个种源产地 的年均气温和年均降水量气象因子如表1 。 1 4 图l1 9 个刺槐种源的来源 甄g 1l 0 c 蚵o 璐0 fo r i g mo f 吐艟t e s 也d1 9b l a c k1 0 c u s tp r o v e 龇e s 耋璧型燮兰鍪鎏垄釜篓篓盏鍪釜至茎笙銎塞一 褒l1 9 个刺槐种源产地韵气象园子 ! ! ! ：! 唑旦! ! 嫩! 竺燮堕坚脞婪墨! 悠婴型垫! 篓业生! 篓1 2 跫 嚣丽篙芋吾盏血盛。豢，菇箍，氐 基( 市) c o t