（生物化学与分子生物学专业论文）外来物种薇甘菊入侵的分子生态学研究.pdf

中山大学硕士学位论文 中文摘要 薇甘菊( m i k a n i am i c r a n t h ah b k ) 为原产于中、南美洲的植物，属于菊科 假泽兰属，于1 9 世纪术被引进到香港后，至今已经迅速蔓延至珠三角地区并造 成严重的危害。本论文采集了薇甘菊在中国危害严重的香港、深圳、内伶仃岛、 珠海、澳门、东莞6 个地区2 8 个种群共1 6 8 个薇甘菊个体，加上与薇甘菊为同 一属的中国土著种假泽兰在海南的2 个种群共1 0 个个体的植物材料，实验测定 了1 7 8 个个体的叶绿体t r n l - t r n f 基因间隔区序列，并对1 7 8 个个体进行i s s r 分 析、a f l p 分析及叶绿体s s r 分析。结果表明：( 1 ) 中国地区的薇甘菊遗传多样 性为0 1 5 7 9 0 1 7 4 5 ，呈现出较低的遗传多样性水平。其遗传多样性分布于种群内 的比例高达7 0 ，种群间分化及地区间分化不明显，说明不同地区及不同种群 间的薇甘菊具有极大的基因流，其中人为影响可能起最重要的作用。( 2 ) 由 u p g m a 树及最小生成网图的结果，结合薇甘菊各地区的遗传多样性高低，支持 深圳、内伶仃岛及澳门的薇甘菊均来自于香港的假设，并推测了珠海及东莞的薇 甘菊可能源于多次入侵。( 3 ) 新产生的珠海种群遗传多样性呈现升高的趋势。 为了更好的研究影响中国地区薇甘菊生长及种群扩张的环境因子，实验测定 了薇甘菊2 8 个种群对应土壤的新鲜土水含量、风干土水含量、p h 值、有机质含 量、全氮含量、全磷含量，以及多种金属元素含量，并与薇甘菊种群的遗传多样 性进行相关性分析。结果初步证明了薇甘菊的种群遗传多样性与土壤中新鲜土水 含量、全氮含量、以及一些金属元素( k 、m g 、m n ) 含量有相关性，具体的土 壤成分对薇甘菊生长及种群扩张的影响还需进一步研究。 关键词：薇甘菊、假泽兰、i s s r 、a f l p 、e p s s r 、t r n l - t r n f 基因间隔区序列 中山大学硕士学位论文 m i k a n i am i c r a n t h ah b ki so n es p e c i e so fg e n u sm i k a n i aw i l l d ( a s t e r a c e a e ) a n dn a t i v et ot r o p i c a la m e r i c a i nc h i n a ，a f t e ri tw a sf i r s ti m p o r t e dt oh o n g k o n gi n 1 8 8 4 ，n o wi th a ss p r e a da l o n gt h ez h u j i a n gd e l t aa n dh a sr e s u l t e di ng r e a td a m a g et o t h el o c a le n v i r o n m e n t w i t h i ni t ，s h e n z h e n ，z h u h m ，d o n g g u a n ，h u i z h o ua n d z h o n g s h a na r et h ec e n t e ro fi t sd i s t m b i t i o n w ec o l l e c t e ds a m p l e so fm i k a n i am i c r a n t h af r o m2 8p o p u l a t i o n so fh o n g k o n g ， s h e n z h e n ，n e i l i n d i n gi s l a n d ，z h u h a i ，m a c a oa n dd o n g g u a n ，a l s o1 0s a m p l e so f m i k a n i ac o r d a t a ，w h i c hi st h eo n l yc h i n e s en a t i v es p e c i e st h a tb e l o n g st og e n u s m i k a n i aw i l l d ，f r o m2p o p u l a t i o n so fh a i n a np r o v i n c e w ep e r f o r m e dc h l o r o p l a s t t r n l - t r n fi n t e r g e n i cs e q u e n c ea n a l y s i s ，i s s ra n a l y s i s ，a f l pa n a l y s i sa n dc h l o r o p l a s t s s ra n a l y s i s ，a n dc o n c l u d e dt h a t ：( 1 ) l o wg e n e t i cd i v e r s i t yw a sd e t e c t e di nm i k a n i a m i c r a n t h ao f6c h i n e s er e g i o n s ，o n l yb e t w e e n0 1 5 7 9 0 1 7 4 5 ，a l s ow i t hh i g hl e v e lo f i n t r a p o p u l a t i o nd i v e r s i t y ( a b o u t 7 0 、a n dl o wl e v e lo f i n t e r - p o p u l a t i o n d i f f e r e n t i a t i o n ( 2 ) b a s e do nt h er e s u l tr e v e a l e db yu p g m a t r e ea n d m s n ，w e s u p p o r tt h eh y p o t h e s i st h a tm i k a n i am i c r a n t h ao fs h e n z h e n ，m a c a oa n dn e i l i n d i n g i s l a n dw e r ea l lc o m ef r o mh o n g k o n g w ea l s os u g g e s t e dt h a tm a y b ez h u h a ia n d d o n g g u a nr e g i o n sw e r ei n v a d e db ym i k a n i am i c r a n t h af o rm u l t i p l et i m e s ( 3 ) t h e n e wa r i s i n gp o p u l a t i o n so fz h u h a ir e g i o nh a dm o r ei n t r a - p o p u l a t i o ng e n e t i cd i v e r s i t y t h a no t h e rp o p u l a t i o n s i na d d i t i o n ，f o rt h ef u r t h e ra n a l y s i so fm i k a n i am i c r a n t h a ，w ep e r f o r m e dt h e a n a l y s i so fs o i lc o m p o n e n tc o n t e n to f2 8p o p u l a t i o n so fm i k a n i am i c r a n t h a t h e a n a l y s i si n c l u d e df r e s hw a t e rc o n t e n t ，a i r - d r i e dw a t e rc o n t e n t ，p h ，o r g a n i cm a t t e r c o n t e n t ，t o t a ln i t r o g e nc o n t e n t ，t o t a lp h o s p h o r u sc o n t e n t ，a n dc o n t e n to f1 0k i n d so f m e t a le l e m e n t t h er e s u l tr e v e a l e dt h r e ek i n d so f r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o i l c o m p o n e n tc o n t e n ta n dg e n e t i cd i v e r s i t yo f2 8p o p u l a t i o n so fm i k a n i am i c r a n t h a o n ew a sw i t hal i n e a rr e l a t i o nt ot h ef r e s hw a t e rc o n t e n t ，o n ew a sw i t haq u a d r a t i c r e l a t i o nt ot o t a ln i t r o g e nc o n t e n t ，a n da n o t h e rw a sw i t hal o g a r i t h m i cr e l a t i o no r i n v e r s er e l a t i o nt ot h ec o n t e n to fk ，m g ，m n f u r t h e ra n a l y s i si sn e e d e df o rt h ed e t a i l i n f o r m a t i o no fs u c hs o i lf a c t o ri n f l u e n c et ot h eg r o w t ha n dp o p u l a t i o ne x p a n s i o no f m i k a n i am i c r a n t h a ， k e yw o r d s ：m i k a n i am i c r a n t h a ，m i k a n i ac o r d a t a , i s s r ，a f l p , c p s s r ，t r n l - t r n f i n t e r g e n i cs e q u e n c e i l 中山大学硕士学位论义 a 同l p a m o 、，a c p s s r c t a b e d l a h i c p a e s i s s r m s n p c a r a p d r f l p s s r t e t r i s u p g m a 缩略词表 a m p l i f i e df r a 乎n e n tl e n g t hp o l y m o r p h i s m a n a l y s i so fm o l e c u l a rv a r i a n c e 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 s c e t y l t r i m e t h y l a m m o n i u mb r o m i d e e t h y l e n ed i a m i n e t e t r aa c e t i ca c i d h e t e r o z y g o s i t y i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a a t o m i c e m i s s i o ns p e c t r o m e t r y i n t e rs i m p l es e q u e n c er e p e a t s m i n i m u ms p a n n i n gn e t w o r k p r i n c i p l ec o m p o n e n ta n a l y s i s r a n d o ma m p l i f i e dp o l y m o r p h i s md n a r e s t r i c t i o nf r a g m e n tl e n g t hp o l y m o r p h i s m s i m p l es e q u e n c er e p e a t s 1 l i s e d t ab u f f e r t r i s ( h y d r o x y m e t h y l ) a m i n a m e t h a n e u n w e i g h t e dp a i rg r o u pm e t h o du s i n g a r i t h m e t i ca v e r a g e i l l 扩增片段长度多态性 分子方差分析 叶绿体简单重复序列 十六烷基三甲基溴化胺 乙二胺四乙酸 杂合度 等离子体原子发射光谱 简单重复间序列 最小生成网 主成分分析 随机扩增多态性d n a 限制性片段长度多态性 简单重复序列 t r i s e d t a 缓冲液 三( 羟甲基) 氨基甲烷 未加权配对算术平均法 第一章前言 第一章前言 1外来物种研究概况 1 1 外来物种的分布和扩散状况 外来物种( e x o t i cs p e c i e s ，a l i e ns p e c i e s ) 是指借助自身力量或外界自然力量， 或者以人类活动为媒介，传播到以往未曾分布的地区，并且能进行后代繁衍的生 物( 王伯荪等，2 0 0 4 ) 。外来种的生物入侵自古就有，是伴随着地球自然地质变 化和生物进化而持续发生的。然而，随着人类活动的频繁，更多的由于人类有意 识或无意识引进的外来种正在造成越来越严重的影响。一旦外来种在新的生态系 统中的定居和繁衍并迅速地破坏生态系统的生态平衡，从而引起对经济、环境和 人类健康的严重危害时，就被定义为一个入侵种( i n v a s i v es p e c i e s ) ( 王伯荪等， 2 0 0 4 ) 。 外来物种在全球几乎无处不在，全球无论热带还是温带，无论大陆还是岛屿， 外来物种都普遍存在。据统计，美洲大陆和澳大利亚记载的己定居的外来植物有 2 0 0 0 种，鱼类和鸟类数目也极多( 方炜，2 0 0 0 ；引自王伯荪等，2 0 0 4 ) 。在中国， 据2 0 0 4 年的统计，中国地区的外来种有2 8 3 种，其中外来植物物种中菊科、禾 本科植物数目不少( 徐海根等，2 0 0 4 ) 。而截止至2 0 0 2 年，每年平均发现有一种 病虫或杂草从国外传入( 康乐，1 9 9 9 ：引自王伯荪等，2 0 0 4 ) 。紫茎泽兰、薇甘 菊、空心莲子草、豚草、飞机草、风眼莲等为在我国危窖严重的外来种。 外来物种扩散的主要传播途径有人类有意或无意的传播，也有借助各种生物 及自然条件的传播，随着人类活动的频繁，人为传播的影响越来越显著。传统的 看法认为，由旧大陆向新大陆扩散的外来物种的数目一般更大，因为相比起旧大 陆，新大陆具备更低的物种多样性，对外来物种的抵抗力更弱。这在首批欧洲移 民到达美国后的随后时间里，欧洲的不少物种成功的在美国顺化并扩张的现象中 得以证实( 艾尔弗雷德，2 0 0 1 ) 。然而，新近的外来入侵却体现出不少的由新大 陆向旧大陆入侵的例子。研究中国的2 8 3 种外来物种表明，其中5 5 1 为来自美 洲的物种，其次是来自欧洲的物种( 2 1 7 ) 。除了人为因素之外，估计全球气 温的变暖与热带地区的物种向温带地区扩散也有一定关系( s t a c h o w i c ze ta l 。 2 0 0 2 ) 。 外来物种在全球的分布产生了极大的危害。外来入侵严重地破坏了入侵地的 生态系统，特别是一些具有地区特异性的生态系统，从而成为导致全球生物多样 性降低的个极其重要的因素。外来物种的入侵造成了入侵地区的极大的农业和 第一章前言 林业的损失，导致了极大的经济损失。同时，某些外来物种的入侵会威胁到人类 的健康( 黎桂芳，2 0 0 4 ) 。因而，对外来物种入侵的研究和防治已成为目前全球 所面临的迫切的任务。 由于本论文主要研究的是外来植物物种，因而在下面的综述中主要以植物外 来种的研究为讲述重点。 1 2外来物种的生理特性、种群特征及入侵机制 1 2 1 外来物种的生理特性及种群特征 研究外来物种的生理特性及种群特征表明，绝大多数的外来入侵物种均具备 极强的生长能力和极大的生态适应性。其中，某些物种可以通过克隆生长极大地 提高其个体生长速度和种群扩张速度( b a u m e le ta l ，2 0 0 1 ；g a s k i ne ta l ，2 0 0 2 ； c h a p m a ne ta l ，2 0 0 0 ) 。而某些物种则具备多样化的生殖方式。如两种树蕨海金沙 ( l y g o d i u m j a p o n i c u m ) 及小叶海金沙( lm i c r o p h y l l u m ) ，均具各孢子体和配子 体两种形态，并且可发生同个配子体内的自交及不同配子体间的杂交( l o t t 甜a l ， 2 0 0 3 ) ；大米草( s p a r t i n aa n g f f c a ) 、蒲公英( t a r a x a c u mc e r a t o p h o r u m ) 、及p i l o s e l l a o f f i c i n a r u m 均可营有性生殖及无性生殖两种生殖方式( b a u m e le ta l ，2 0 0 1 ；b r o c k e ta l ，2 0 0 4 ；c h a p m a ne ta l ，2 0 0 0 ) 。此外，营有性生殖的许多物种可以产生极多的 花及花蜜来更有效地吸引昆虫传粉( c h i t t l c ae la l ，2 0 0 1 ) ，也可产生极高数量的 种子来促进其种群的扩张( g a s k i ne ta l ，2 0 0 2 ；b a u m e le ta l ，2 0 0 1 ) 。 在群落水平上，外来物种具各的更有效的资源利用效率进一步促使其更好的 生长。研究表明，某些外来物种具备有比本地种更有效的光合能力( m c d o w e l ls cl2 0 0 2 ) ，或者具备更强的对土壤中水分、氮、磷或其它营养成分的吸收能力 ( b l a n k ，2 0 0 2 ) 。由于外来物种具备更高的资源利用率，所以外来物种往往具有 更广的分布范围，其生态适应性高。同时，群落中其它生物的作用对外来物种入 侵也影响显著。f a r g i o n e 等( 2 0 0 3 ) 研究表明，外来物种会与入侵群落中占据相 同生态位的物种发生剧烈的竞争，主要显著地减少那些在生长及生理特性上与其 相近的物种的个体数目。m i t c h e l l 等( 2 0 0 3 ) 及k l i r o n o m o s ( 2 0 0 2 ) 的研究均表 明，比起原产地的同一物种，或者比起入侵地的同个群落中的其它物种，外来物 种均具备更低的有害微生物的聚集效率，这可能与外来物种本身的生理特性相 关，比如某些物种具备有化感作用( c a l l a w a ye t a l ，2 0 0 0 ) ，也可能由于外来物种 入侵时丧失了绝大多数的微生物天敌。此外，外来物种还可以通过破坏本地的生 态平衡来促进其自身的有效入侵( c h r i s t i a n ，2 0 0 1 ；k a t oe t a l ，2 0 0 4 ) 。 人为的影响是促使外来物种成功入侵的极其重要的原因，许多外来物种的扩 2 第一章前言 散均受人为活动影响显著，而人为对生态环境的干扰也进一步促进了外来物种在 入侵地更好的生长( s e a b l o o me t a l ，2 0 0 3 ；s h e r e t a l ，2 0 0 3 ) 。此外，全球气温的升 高及大气中c 0 2 浓度的升高也促进了某些外来物种的成功入侵( s t a e h o w i e z e t a l ， 2 0 0 2 ；s m i t he ta l ，2 0 0 0 ) 。 因而，由于外来物种往往同时具备多种极高的生长、繁殖和竞争的能力，也 由于人为活动的频繁影响，全球各个地区外来物种的入侵极为明显，并对入侵地 生态系统造成严重危害。 1 2 2外来物种的入侵机制研究 e l t o n ( 1 9 5 8 ，引自王伯荪等，2 0 0 4 ) 首先提出了外来物种入侵的多样性阻 抗假说( d i v e r s i t yr e s i s t a n c eh y p o t h e s i s ) ，多样性阻抗假说认为，群落中物种多样 性的升高会增加其对外来物种入侵的抵抗能力。从而降低外来物种的入侵有效 性。群落多样性阻抗主要体现在群落中原有物种对外来物种的物种间竞争水平 上，因而，当研究小范围的外来物种入侵时，群落物种多样性的升高往往能有效 地阻抗外来物种的入侵( k e n n e d ye ta l ，2 0 0 2 ；l e v i n e ，2 0 0 0 ) 。然而，当研究的范 围扩大到地区水平，物种多样性的增加有时与外来物种入侵有效性无一定相关 ( k e n n e d y e t a l ，2 0 0 2 ) 。究其原因，一方面在于更大的地理范围中，各群落中表 现出更大的资源不均一性，另一方面在于在更太的地理范围中，多次入侵的影响 更为咀显。因而，外来物种的成功入侵不仅仅受群落物种多样性的影响，群落中 的多种生物因子和环境因子可能同时地影响到外来物种的入侵，在某些群落中某 些因子可能占据决定性的作用，而在另一些群落中可能各种因子均起到小的加和 的作用。 因而，随后的研究在于更细致地研究群落中各种不同因子对外来物种的影 响。资源波动假说( r e s o u r c ef l u c t u a t i n gh y p o t h e s i s ) 及生态位假说( n i c h e h y p o t h e s i s ) 都是基于入侵有效性与群落资源关系研究的基础上提出的( 引自王 伯荪等，2 0 0 4 ) 。这些假说较好地解释了入侵及有助于预测了物种的入侵，然而， 由于物种间及物种与环境间关系的错综复杂，许多的假说都是基于中性理论的基 础上，即是认为在群落组装上，各物种问及物种与环境间的作用是均等的，物种 的入侵呈现出随机性。然而，f a r g i o n e 等人( 2 0 0 3 ) 的研究却发现了群落中与外 来种处于同一共生群( g u i l d ) 的物种对外来种的影响作用最大，从而将物种问的 竞争的研究迸一步地深化。因而，进一步地研究外来物种入侵的环境限制因子及 生物限制因子，及进一步地研究特定外来入侵物种的特定生理特性将有助于最终 揭示外来物种的入侵机制。 3 第一章前占 1 3 外来物种的细胞学及分子生物学研究 遗传多样性是生物个体及群体在进化过程中与环境相互作用结果的综合体 现，生物遗传多样性的高低与生物在进化过程中所经历的各种环境作用及生物本 身的生长特性相关，因而，分析现有生物种群的遗传多样性有助于揭示生物在进 化过程中发生的各种变化。 一般柬说，在扩张的过程中经历了严重的瓶颈效应( b o t t l e n e c ke f f e c t ) 或建 群者效应( f o u n d e re f f e c t ) 的生物种群一般具备较低的遗传多样性，此外，有效 种群大小极小的种群容易因为遗传漂变( g e n e t i cd r i f t ) 的作用也会表现出极低的 遗传多样性。因而，生物种群在扩散的过程中往往面临着严重的遗传多样性丧失 的问题。这在冰期残余植物中表现得尤为明显。由于历史上的各次冰川的影响， 特别是第四纪冰川的影响，不少冰期植物在经历了严重的瓶颈效应后其分布面积 急剧减少，即使有些冰期植物在冰期过后会发生种群扩张，但仍具备极低的遗传 多样性( c h i a n g e ta l ，2 0 0 4 ；d e s p r 6 se ta l ，2 0 0 3 ) 。由于冰期生物的种群扩散发生 在人类出现之前，其扩散为自然条件下的扩散，因而一般符合由遗传多样性高的 地区向遗传多样性低的地区扩散的特征。然而，研究历史新近时期入侵的外来物 种的遗传多样性时却发现，外来物种的遗传多样性表现出极其复杂的模式。虽然 大部分外来物种仍符合原产地的遗传多样性高于入侵地的遗传多样性的规律，然 而遗传多样性的高低并不一定与入侵有效性成正比，降低的遗传多样性有时反而 增加了其入侵有效性( t s u t s u i e t a l ，2 0 0 0 ) ，而有些物种在入侵过程中反而呈现出 遗传多样性升高的趋势( k o l h ee ta l ，2 0 0 4 ) 。在各种因素中，人类活动的影响极 其显著，而同时，为了更有效地适应入侵地的生态环境，外来物种也往往进化出 许多恢复其遗传多样性的途径。 1 3 1 杂交及多倍体化与入侵有效性 杂交及多倍体化是一种恢复遗传多样性及提高适应性的途径。杂交和多倍体 化是在所有植物及不少动物牛所普遍存在的现象( p o n t e se ta l ，2 0 0 4 ) ，据估计， 开花植物中约7 0 在历史上曾经产生过多倍体化( m a s t e r s o n ，1 9 9 4 ；引自s h a k e d e ta l ，2 0 0 1 ) 。当外来物种在入侵地与其亲缘关系密切的物种在分布区有重叠时， 若它们在开花时间时间上有重叠，则有可能发生杂交，产生异源多倍体的后代。 越来越多的研究表明许多的外来物种实际上为杂交产物( m o o d ye ta l ，2 0 0 2 ； b a u m e le ta l ，2 0 0 1 ；g a s k i ne ta l ，2 0 0 2 ；b r o c k ，2 0 0 4 ) 。 研究表明，杂交对于植物的生长和进化具有显著的意义。首先，杂交产生了 更多的冗余基因，可以形成一个新的可供自然选择的基因库，因而有可能产生出 4 第一章前吉 更适应入侵地生境的新基因型( e l l s t r a n d e t a l ，2 0 0 0 ) ，表现出更大的适应能力， 包括可能会占据新的生态位( a n d e r s o ne ta l ，1 9 5 4 ；引自e l l s t r a n de ta l ，2 0 0 0 ) 或 可能更好地摆脱原有天敌的限制( g a s k i ne ta , 2 0 0 2 ) 。同时，杂交后代普遍的 d n a 重组( p o n t e se ta l ，2 0 0 4 ；k a s h k u s he ta l ，2 0 0 2 ) 也有助于提高植物的遗传多 样性。另外，杂交的后代多营无性繁殖，有助于使适应特定环境的基因型得以维 持和扩散，也有助于维持物种的遗传多样性( e l l s t r a n de ta l ，2 0 0 0 ) ，因而杂交后 代常常表现出杂种优势( h e t o r o s i s ) 。s i l v e r t o w n 等( 2 0 0 3 ) 认为，无性繁殖趋向 于发生在处于物种边缘范围的种群中，这是由于无性繁殖更适应于物种边缘范围 生境的严酷的自然选择。因而，杂交和多倍体化提高了外来物种在入侵地严酷的 自然选择条件下的适应能力。 与这种假设相一致的观察结果是，许多为杂交体的外来物种表现出广泛的生 态适应性，在与其亲本物种的竞争中往往占据优势。分布于欧洲的海边植物大米 草( s p a r t i n aa n g l i c a ) 为欧洲本地种米草( sm a r i t i m a ) 与来自美国的外来种互 花米草( & a l t e r n i f l o r a ) 的杂交产物经染色体加倍形成。比起其亲本，大米草在 海水中耐浸泡的能力更强，因而能占剧海边更深土壤层的新的生态位，此外，大 米草种予数量极多，也可通过根状茎营无性繁殖，均表现出比其亲本更大的竞争 优势( b a u m e l e t a l ，2 0 0 1 ) 。而另一物种螯虾外来种o r c o n e c r e sr u s t i c u s 在入侵后 与本地种o p r o p i n q u u s 产生的杂交后代则导致了其亲本的大量死亡( r o u s h ， 1 9 9 7 ) 。同时，外来种与本地种的杂交也会导致本地种的遗传同化( b r o c k ，2 0 0 4 ) 。 1 3 2 多次入侵与入侵有效性 多次入侵是外来物种恢复其遗传多样性的另一个途径。由于人类活动及种种 自然因素的影响，外来物种的多次入侵往往带有极大的偶然性或极复杂的入侵路 径，因而，尽管外来物种的多次入侵在外来物种入侵机制中旱有提及，其实际的 证据一直以来仍缺乏。k o l h e 等( 2 0 0 4 ) 对古巴的安缘蜥“n o l i ss a g r e i ) 在原产 地和入侵地的分布进行了细致的种群划分，对原产地7 1 个种群和入侵地5 9 个种 群的共6 0 0 个安缘蜥样本进行线粒体序列的分析，结果表明入侵地至少发生了8 次的入侵，使得入侵地的遗传多样性比原产地更高，而且更新近产生的种群的遗 传多样性呈现升高的趋势。s a l t o n s t a l l ( 2 0 0 2 ) 研究分布于北美洲的芦苇外来种 ( p h r a g m i t e sa u s t r a l i s ) 时发现，芦苇在二十世纪初大规模扩张的原因是在原产 地欧洲及亚洲广泛分布的芦苇单倍型m 传入北美洲之后开始的。结合对原产地 及入侵地的采集材料及干燥标本的t r n t - t r n l 序列及r b c l - p s a l 序列的分析，表明 单倍型m 的芦苇在欧洲及亚洲广泛分布，而在大规模扩张之前，单倍型m 在北 美洲没有发现，而现今的北美地区的芦苇主要的单倍型为m ，因而作者认为， 5 第一章前占 北美洲芦苇的大规模扩张是由于新的单倍型的芦苇的入侵所引起。 1 3 3 影响入侵有效性的其它因素 除了杂交及多次入侵外，外来物种在入侵地也可能因受到强烈的自然选择作 用而发生快速进化。一种果蝇( d r o s o p h i l as u b o b s c u r a ) 在原产地由于受到强烈 的自然选择作用其翅膀长度呈现出随着纬度增加而出现渐变增长的规律，在果蝇 入侵北美十年后，果蝇的翅膀长度与纬度不呈现任何相关性，而h u e y 等( 2 0 0 0 ) 研究了入侵二十年后的果蝇翅膀长度，发觉在短短的二十年里，果蝇的翅膀长度 由于受强烈的自然选择而呈现出随着纬度增加而渐变增长的规律。因而可以看 出，由于发生了快速进化，外来物种更大程度地适应了入侵地的生态环境而表现 出更大的入侵有效性。 遗传多样性并非影响外来物种入侵有效性的唯一因素，外来物种的一定的基 因型是与其一定的生长特征相关联，相比之下，外来物种的特定的生长特征与其 入侵有效性有更直接的联系，而外来物种的遗传多样性高低据认为则影响到外来 物种长期的进化( b e a d m o r e ，1 9 8 3 ；引自b a u e r te ta l ，1 9 9 8 ) 。这种生长特征可以 通过对外来物种的生长特性及种群特征的分析得来，也可以分析其遗传多样性， 并将一定的基因型与其特定生长特性进行相关性分析得来。t s u t s u i 等( 2 0 0 0 ) 研究了阿根廷蚂蚁( l i n e p i t h e m ah u m i l e ) 在入侵美国后的遗传多样性变化及种群 特征变化，结果发现阿根廷蚂蚁在入侵美国后损失了约一半的遗传多样性，而遗 传多样性损失的部分正好对应于那些种内竞争极其剧烈的阿根廷蚂蚁类型，因而 入侵美国的阿根廷蚂蚁能与美国本地的蚂蚁物种和谐地生存，其种群扩散极为迅 速。 1 4 外来物种的基础研究对外来物种防治启示 综上所述，对外来物种的生理特性及种群特性的研究将有助于揭示外来物种 有效入侵的环境因子，也将有助于阐明影响外来物种成功入侵的环境限制因子。 因而，外来物种的生理学及生态学的研究对薇甘菊的防治，包括化学防治和生物 防治也有裨益。同时，阐明了外来物种的扩散途径及扩散媒介将有助于更好地切 断外来物种的传播路径，这就使得使用多种分子标记进行外来物种的遗传多样性 及种群结构的研究显得重要。遗传多样性研究所阐明的外来物种可能发生的杂 交、快速进化等现象可用于外来物种的生物防治。结合分子标记和环境因子分析， 能为最终揭示外来物种的扩散机制和防治原理提供重要信息。 第一章前言 2 薇甘菊、假泽兰及假泽兰属的研究概况 2 1 薇甘菊的分布 薇甘菊( m i k a n i am i c r a n t h ah b k ) 是菊科假泽兰属( m i k a n i aw i l l d ) 植物， 与全世界假泽兰属2 7 3 种植物中的绝大多数一样，原产于新大陆热带地区。薇甘 菊在美洲主要分布于墨西哥、巴西、厄瓜多尔、秘鲁、哥伦比亚、阿根延、玻利 维亚以及美国的佛罗里达( r o b i n s o n ，1 9 2 2 ，1 9 3 4 ；引自王伯荪等，2 0 0 4 ) 。在原产 地薇甘菊通常生长于受干扰的环境，以及潮湿的土地或沼泽地。原产地有9 种主 要的薇甘菊天敌昆虫和2 2 种次要的薇甘菊天敌昆虫( c o c k ，1 9 8 2 ) ，因而薇甘菊 的扩散受到有效的控制。 相比之下，薇甘菊作为外来种传入旧大陆后，扩散极快，并且造成严重的危 害。薇甘菊在旧大陆热带地区最早的记录是1 9 0 7 年采自斐济的标本 ( h o l m e s ，1 9 8 2 ；引自王伯荪等，2 0 0 3 ) ，而有资料记载的薇甘菊最大引进规模是 1 9 4 9 年和1 9 5 6 年先后被印度尼西亚引入作为橡胶园土壤覆盖植物和垃圾填埋场 土壤覆盖植物。之后，从2 0 世纪8 0 年代在南亚及东南亚多处地区所采集的薇甘 菊标本表明薇廿菊在此时已遍布于旧大陆地区。据c h o u d h u r y ( 1 9 7 2 ：引自王伯 荪等，2 0 0 3 ) 认为，这段时间薇甘菊的迅速扩散与第二次世界大战期间美军在马 来西亚、印度等南亚地区的频繁活动有关，也与1 9 5 0 年后的大地震引起的大面 积河水泛滥相关。 中国地区最早的薇甘菊记录是1 8 8 4 年香港动植物公园的引种栽培种记录 ( 王伯荪等，2 0 0 3 ) ，1 9 1 9 年在距动植物公园直线距离l k m 的歌赋山发现第2 个薇甘菊标本。随后，2 0 世纪5 0 - 6 0 年代在香港岛多处地区发现薇甘菊的分布， 以及2 0 世纪8 0 一9 0 年代在香港各地及各郊野公园发现薇甘菊广泛分布，均表明 薇甘菊在香港地区的扩散速度经过一段时间的停滞后迅速加快。与此同时，台湾 的中南部及东部地区也成为薇甘菊危害严重的地区( 黄士元等，2 0 0 3 ) 。 薇甘菊扩散到中国大陆地区的最早记录是1 9 8 4 年深圳银湖附近的采集到的 薇甘菊标本，而直到2 0 世纪9 0 年代时在对内伶仃岛及广东沿海的调查时，才发 现薇甘菊此时已在广东沿海地区广泛分布，并在部分地区危害严重( 冯惠玲等， 2 0 0 2 ) 。据王伯荪等( 2 0 0 1 ) 的考证，中国地区仅有两种假泽兰属植物分布，土 著种假泽兰仅分布于海南及台湾，而在香港及珠三角地区广泛分布的为外来种薇 甘菊。目前，薇甘菊在广东沿海地区的分布自深圳地区向西部、东部和北部依照 严重程度呈叫级分布( 表1 - 1 ) 。根据薇甘菊分布严重程度的规律，王伯荪等认为， 薇甘菊在深圳市的传播是与紧邻香港新界地区的鹤薮等薇甘菊危害严重地区密 切相关，其扩散源头无疑是香港地区( 王伯荪等，2 0 0 3 ) 。 第一章前言 + 引用自王伯荪等，2 0 0 3 。 2 2薇甘菊的生理特性和种群特征 2 2 1薇甘菊的繁殖特性 在深圳福田红树林自然保护区及香港地区，薇甘菊在每年的3 - 8 月份为生长 旺盛期，9 1 0 月份为花期，1 1 翌年2 月份为结实期( 胡玉佳等，1 9 9 4 ) 。在内伶 仃岛，由于海岛坏境所造成的微气候的不同，薇甘菊对应的生长时间延迟二个月 ( 咎启杰等，2 0 0 0 ) 。 薇甘菊的花为头状花序，雌雄同花，具有雄蕊5 枚，雌蕊成熟时伸出花冠外 ( 图1 - l c ) 。薇甘菊花的数量及花粉数量极大，据胡玉佳等( 2 0 0 0 ) 统计，在0 2 5 m 2 内有3 4 1 3 7 5 0 2 9 7 个头状花序，约合计1 3 6 5 4 8 2 0 1 1 8 8 朵小花，平均每朵小花的 花粉数量为1 8 4 8 粒。 在香港地区的生态环境下，薇甘菊从现蕾到开放需要3 0 天，其中花蕾的生 长期长达2 5 天，小花开放5 天后，如果完成受精过程，则柱头和雄蕊干枯，花 冠凋萎( 图1 1 d ，胡玉佳等，2 0 0 0 ) 。开花期间，花的生物量占薇甘菊植株地上 部分总生物量的3 8 4 4 2 8 ，高于茎干和叶片生物量( 胡玉佳等，1 9 9 4 ) ，因 而薇甘菊的花能在较短时间内集中大量的营养物质。薇甘菊的开花状况受环境因 子影响较大，在对东莞5 个不同生境下( 山地，稻田，菜地，塘泥，垃圾堆) 的 薇甘菊生长的分析表明，中等肥力的土壤，中等的光照条件均使得薇甘菊具有更 长的花期，以及更大的花数、结实率及种子干粒重，而水分高低则与薇甘菊的花 期，花数，结实率成正性相关( 杨期和等，2 0 0 3 ) 。在对内伶仃岛3 个群落( 乔 木群落，芒箕群落，薇甘菊群落) 的分析表明，薇甘菊在3 个群落中的花数，种 子结实率及种子生物量均为：薇甘菊群落 芒箕群落 乔木群落，也表明更多的 光照有利于薇甘菊的开花结实( 张炜银，2 0 0 3 ) 。在前5 个生境中，薇甘菊的结 8 第一章前言 实率变异较大，变异范围为1 2 8 6 一5 6 2 2 ，在后3 个生境中，薇甘菊的结实率 在3 1 1 2 左右。 关于薇甘菊的有性生殖是通过自交还是异交完成，或者自交和异交的比例， 目前仍未有报道。薇甘菊产生的种子细小，干粒重仅0 0 8 9 2 9 ，且覆有冠毛，能 借助风力进行远距离传播( 胡玉佳等，1 9 9 4 ) ，而目前仍未有报道薇甘菊是否有 其它的花粉传播媒介。 2 2 2薇甘菊的生长特性 在第二年的3 月份雨季来临时薇甘菊种子开始萌发，种子在温度为8 3 2 ， p h 值为5 5 7 5 的条件下均能萌发，在实验室2 5 - 3 0 。c 的条件下种子萌发率达 8 3 3 ；种子的萌发率随着光照及水分的减少明显下降，其最大萌发率发生在开 始萌发后第二周( 徐玲明，2 0 0 3 ) 。 薇甘菊的幼苗对环境条件极为敏感，研究表明在透光5 0 的状况下薇甘菊幼 苗的生长状况最好，更高或更低的光照条件均使得幼苗生长状况下降( 张炜银等， 2 0 0 2 ) 。此外，还没有报道其他的环境条件对薇甘菊幼苗的影响。 薇甘菊具有匍匐生长和攀援的特性，匍匐生长的幼苗在节位处可以生出不定 根( 图1 - l f ) ，最终长成蔓延范围极大的克隆株；而攀援生长幼苗的节间则发育 出一对侧蔓，附在攀援物上与被攀援植物争夺光能。因而，薇甘菊除了有性生殖 方式之外，还可以通过克隆生长扩散其种群。薇甘菊幼苗生长较慢，萌发后3 0 天内苗高仅1 1 c m ，后期生长加快，能以惊人的速度蔓延( 咎启杰等，2 0 0 0 ) 。 在群落次生演替的前4 年里，薇甘菊在每年3 1 1 月份所生产的地上部分生 物量转化为凋落物，异致了这一阶段凋落物质的“过量”，而有助于薇甘菊随后 的生长和种群扩张。因而，有研究发现，在次生演替的前3 年里，薇甘菊的种子 生产潜力和种群净增长随着时间的增加而增加。相比之下，在次生演替的6 1 2 年里薇甘菊的种子生产潜力及种群净增长急剧下降，t o k y 等认为导致薇甘菊生 长状况在次生演替后期逐渐受抑制的原因是由于在次生演替过程中物种间竞争 性逐渐增强，以及薇甘菊能利用的光能逐渐减少。在逐渐缺少营养物质的条件下， 薇甘菊在次生演替的8 年罩逐渐进化出更高的营养利用比率，因而这是薇甘菊在 营养有限的环境中进化出来的一种生存策略( 引自张炜银，2 0 0 2 ，综述) 。 人为对生境的干扰会影响薇甘菊的生长状况。研究比较薇甘菊在经火烧的生 境及未经火烧的生境中的生长状况表明，在经过火烧的生境中，由于残余有更 多的营养成分，薇甘菊平均相对生长速率，平均净同化率和平均叶片面积等指标 在随后的8 年里逐年上升，而未经火烧生境中的薇甘菊的相应指标逐年下降。冈 9 第一章前言 而火烧显著地增加薇甘菊入侵的有效性( s w a m ye ta l ，1 9 8 8 ) 。 2 3 薇甘菊的遗传多样性及假泽兰属的系统进化 假泽兰属隶属于菊科( a s t e r a c e a e ) 泽兰族( t r i b ee u p a t o r i e a e ) 的假泽兰亚 族( s u b t r i b em i k a n i i n a e ) ，该属包含2 7 3 种植物，主要产于热带美洲地区，2 种 产于南非，2 种产于亚洲，而产于热带美洲地区的大部分假泽兰属植物为当地的 特有种。 由于假泽兰属植物的花序中只包含4 朵小花，而菊科假泽兰亚族的其他属的 花序中均具备5 朵小花，因而假泽兰属在假泽兰亚族的各属中独成单独的一个属 ( k i n ge ta l ，1 9 8 7 ；引自i t oe ta l ，2 0 0 0 ) 。利用叶绿体d n a 的r f l p 分析泽兰族 的系统进化表明，泽兰族的1 3 个亚族分为两个分支，染色体数目较大的亚族( x = 1 7 ) 聚为一支，较先分化；而染色体数目较小的亚族( x = 1 0 ) 聚为另一支， 分化较晚，且其物种数在泽兰族中最多，因而认为泽兰族在进化过程中染色体数