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鹅掌楸群体空间遗传结构研究

作　者: 李博
导　师: 李火根
学　校: 南京林业大学
专　业: 林木遗传育种
关键词: 空间遗传结构基因流亲本分析谱系重构空间分布格局
分类号: S792.21
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

种群遗传结构及其影响因子的研究是保护遗传学的重要内容，它不仅是探讨物种形成以及植物适应和进化机制的基础，也是针对物种制定有效保护策略和措施的依据。影响植物居群内遗传结构的生态和进化因素很多，而遗传变异的空间分布是种群遗传结构的重要特征之一。空间遗传结构是影响群体短期进化过程的重要因素，开展种群空间遗传结构研究有助于了解种群动态，对于濒危植物的保护策略的制订有重要的指导意义。鹅掌楸(Liriodendron chinense (Hemsl.) Sarg.)为木兰科鹅掌楸属植物，星散分布于我国华东、中南及西南地区以及越南北部。由于鹅掌楸种群规模小，生境片段化，自然结实率低，天然更新不良，从而被列为我国二级保护树种。本文以1个残存的天然种群和2个遗传结构清楚的人工群体为研究对象，采用SSR分子标记进行亲本分析与谱系重建，进而揭示鹅掌楸空间遗传结构，期望为鹅掌楸的保护策略制定提供理论依据。主要研究结果如下：三种常用亲本分析软件效率的比较。在亲本分析中，常用基于最大似然法的软件(如CERVUS, COLONY和PAPA)进行亲本推定，但不同软件各有其特点，其分析结果与亲本推定效率有时相差较大。为比较三种常用亲本分析软件(CERVUS3.0, COLONY2.0和PAPA2.0)的效率及特点，本文以包含278个鹅掌楸潜在亲本及90个鹅掌楸已知亲本的子代群体为材料，利用13对EST-SSR位点信息，分析子代亲本并与其真实亲本进行对照，进而评价三种亲本分析软件的效率，期望为林木亲本分析软件选择提供参考。研究结果表明，13个SSR位点在实验群体中检测出的等位基因数(A)、观测杂合度(Ho)及Shannon多样性指数(I)平均值分别为5.23，0.4766和1.4636，表明该批引物多态性高，适合用于亲本分析。就亲本分析效率而言，总体上看，谱系清楚的子代远高于谱系不清的子代，单亲分析远高于双亲分析。三种软件的分析效率及特点各有差别。对于谱系不清的林下更新子代苗木，双亲分析时，三种软件的分析效率差别不大。但单亲分析时，CERVUS与COLONY软件分析效率较高，其亲本推定的准确率分别为78.87%和69.90%，高于PAPA软件的分析效率。而对于谱系清楚的控制授粉子代，双亲分析时，采用PAPA软件对异交子代亲本推定准确率为34.72%，高于CERVUS及COLONY软件；而CERVUS与COLONY软件则适合于自交子代的亲本分析，其亲本推定的准确率分别可达83.33%及81.2%，远高于PAPA软件。广西猫儿山鹅掌楸天然群体谱系重构。利用17对SSR分子标记结合叶绿体PsbA-TrnH片段序列信息，对广西猫儿山鹅掌楸天然群体进行谱系重构。研究结果表明：该群体不同个体间在单碱基（A/T）的重复序列中其重复次数不同，猫儿山鹅掌楸天然群体具有4种不同的单倍型。对49个未成年子代进行亲本分析，共有47个子代推断获得了亲本。其中，有24个子代的单倍型与候选亲本的单倍型一致，有17个子代可推断出双亲。综合上述信息对该鹅掌楸天然群体谱系关系进行了重构。共构建了12对同胞组合，其中全同胞1对，同父异母半同胞4对，同母异父半同胞4对，以及共同亲本不能确定是母本还是父本的半同胞3对。鹅掌楸群体空间遗传结构。利用SSR标记分析了3个鹅掌楸群体的空间遗传结构。遗传背景清楚的人工群体的空间遗传结构强度值及其子代的空间遗传结构强度值分别为0.01341，0.02493和0.01762，0.00989。天然群体及其子代群体的空间遗传结构强度值为0.02700，0.01423。鹅掌楸的空间遗传结构属较高水平，且与已报道的具有类似生活史特征物种的空间遗传结构相吻合。鹅掌楸种群基因流格局。基因流是影响植物种群遗传结构的重要因子。分别采用亲本分析方法以及空间遗传结构(SGS)分析方法对鹅掌楸基因流进行直接与间接估计。结果表明，鹅掌楸种子流及花粉流大小在不同群体间差别较大。基因流间接估计结果显示，鹅掌楸3个不同群体的基因流及花粉流随居群的成年个体密度增大而减小。在种群密度较大的两个人工群体中，鹅掌楸种子的传播距离大于花粉的传播距离，种子流对基因流的贡献程度较大；而在种群密度较小的天然群体中，其结果则正好相反。广西猫儿山鹅掌楸天然种群空间分布格局。为进一步探讨鹅掌楸濒危的机制，从而为鹅掌楸天然种群保护提供参考依据，本文还分析了广西桂林猫儿山鹅掌楸天然种群结构。以种群生命表及生存分析理论为基础，以林木径级结构代表龄级结构，编制鹅掌楸种群静态生命表，分析种群结构的动态变化特点。总体上，鹅掌楸种群龄级结构为金字塔型：幼龄个体数量较多，中龄个体数居中，而老龄个体则相对数量较少，表现为增长型种群。在第Ⅳ龄级时该种群出现死亡高峰，其种群存活曲线属Deevey-Ⅱ型。表明该天然种群具有前期种群数量快速减少，中后期稳定，末期衰退的特点。同时，应用O-ring函数对该鹅掌楸天然种群不同龄级的空间分布格局及龄级间的关系进行分析。分析发现，从小尺度空间（小于24内）角度看，该群体的空间分布格局表现为聚集分布；在中等尺度空间（24～48m）范围内，该群体则表现为随机分布；从较大尺度空间（49～88m）范围看，该群体的空间分布格局趋于均匀分布；而当空间尺度大于88m后，又表现为随机分布。鹅掌楸不同龄级立木的空间分布格局存在差别。成年个体及幼龄个体在小尺度空间范围内表现为聚集分布，在中尺度及大尺度空间范围内表现为随机分布。老龄个体在不同的空间尺度下均表现为随机分布。在小尺度上，不同龄级立木之间表现为正关联；而在较大尺度上，不同龄级立木之间表现为不关联。鹅掌楸亲、子群体遗传多样性比较。采用14个SSR位点检测了3个鹅掌楸群体亲本及子代群体的遗传多样性。结果表明，与木兰科其他物种相比，鹅掌楸群体具有较高的遗传多样性，且亲、子代间的遗传多样性差别不大。

全文目录

致谢  3-4
摘要  4-6
Abstract  6-13
第一章文献综述  13-28
  1.1 种群空间遗传结构  13-17
    1.1.1 空间遗传结构的概念  13
    1.1.2 空间遗传结构的理论基础  13-14
    1.1.3 植物群体空间遗传结构的度量方法  14-15
    1.1.4 植物群体空间遗传结构研究进展  15-17
    1.1.5 空间遗传结构研究的意义及应用前景  17
  1.2 植物基因流的研究进展  17-19
    1.2.1 基因流的概念  17-18
    1.2.2 基因流的估计方法  18
    1.2.3 植物基因流研究的前景展望  18-19
  1.3 亲本分析的研究进展  19-21
    1.3.1 亲本分析的概念  19
    1.3.2 亲本分析的理论模型及研究方法  19-20
    1.3.3 亲本分析研究展望  20-21
  1.4 CPSSR 分子标记研究进展  21-27
  1.5 本研究的目的及意义  27-28
第二章三种常用软件在鹅掌楸亲本分析中的效率比较  28-35
  2.1 材料与方法  28-31
    2.1.1 实验群体  28-29
    2.1.2 研究方法  29-31
  2.2 结果与分析  31-33
    2.2.1 实验群体遗传多样性及零等位基因频率分析  31
    2.2.2 子代谱系与亲本分析效率  31-32
    2.2.3 三种亲本分析软件的效率比较  32-33
    2.2.4 控制授粉子代类型与亲本分析效率  33
  2.3 讨论  33-35
第三章广西猫儿山鹅掌楸天然群体谱系重建  35-44
  3.1 材料与方法  35-38
    3.1.1 实验材料  35
    3.1.2 实验方法  35-38
  3.2 数据处理与统计分析  38-39
  3.3 结果与分析  39-42
    3.3.1 猫儿山鹅掌楸天然群体的遗传多样性分析  39-40
    3.3.2 猫儿山鹅掌楸天然群体的单倍型分析  40
    3.3.3 猫儿山鹅掌楸群体亲本分析及谱系重建  40-42
  3.4 讨论  42-44
    3.4.1 鹅掌楸天然群体谱系重建  42-43
    3.4.2 林木天然更新子代的双亲分析  43-44
第四章鹅掌楸群体空间遗传结构分析  44-56
  4.1 材料与方法  44-46
    4.1.1 实验群体  44-45
    4.1.2 植物 DNA 样品采集  45
    4.1.3 实验方法  45-46
    4.1.4 数据处理与统计分析  46
  4.2 结果与分析  46-54
    4.2.1 不同鹅掌楸群体亲本的空间遗传结构分析  46-48
    4.2.2 3 个鹅掌楸群体子代的空间遗传结构  48-50
    4.2.3 猫儿山鹅掌楸种群不同年龄阶段的空间遗传结构  50-52
    4.2.4 镇江下蜀群体不同区域子代苗木空间遗传结构分析  52-54
  4.3 讨论  54-56
    4.3.1 鹅掌楸群体的空间遗传结构  54-55
    4.3.2 鹅掌楸群体的近交系数  55
    4.3.3 空间遗传结构分析中负 Fij 值的解释及定义  55
    4.3.4 鹅掌楸天然种群的保护  55-56
第五章鹅掌楸群体基因流  56-67
  5.1 材料与方法  56-58
    5.1.1 试验材料  56
    5.1.2 实验方法  56
    5.1.3 数据处理与统计分析  56-58
  5.2 结果与分析  58-65
    5.2.1 利用 Genalex 软件间接估计不同鹅掌楸群体幼苗基因流  58-59
    5.2.2 利用 Genalex 软件间接估计桂林猫儿山鹅掌楸种群不同年龄阶段基因流  59-60
    5.2.3 不同鹅掌楸群体幼苗花粉流及种子流的间接估计  60-61
    5.2.4 猫儿山鹅掌楸不同年龄阶段种群花粉流及种子流的间接估计  61-62
    5.2.5 利用 SPAGeDi 1.3 软件间接估计不同鹅掌楸群体的基因流  62-64
    5.2.6 3 个鹅掌楸群体亲本分析成功推断双亲的子代数及推断的双亲比率  64
    5.2.7 鹅掌楸基因流的直接估计  64-65
  5.3 讨论  65-67
    5.3.1 鹅掌楸基因流  65
    5.3.2 鹅掌楸基因流估计方法的比较  65-67
第六章猫儿山鹅掌楸天然群体的种群动态及空间分布  67-73
  6.1 材料与方法  67-69
    6.1.1 鹅掌楸研究种群概况  67
    6.1.2 研究方法  67-69
  6.2 结果与分析  69-72
    6.2.1 龄级结构分析  69
    6.2.2 生命表编制及存活曲线  69-70
    6.2.3 死亡率和亏损率曲线  70-71
    6.2.4 种群生存函数分析  71-72
  6.3 讨论与结论  72-73
第七章猫儿山鹅掌楸种群不同龄级立木的点格局分析  73-81
  7.1 材料与方法  73-74
    7.1.1 鹅掌楸研究种群概况  73
    7.1.2 研究方法  73-74
  7.2 结果与分析  74-79
    7.2.1 种群空间分布格局  74-77
    7.2.2 种群不同龄级的空间分布格局  77
    7.2.3 种群不同龄级立木的空间关联性  77-79
  7.3 结论与讨论  79-81
第八章鹅掌楸亲、子群体的遗传多样性比较  81-87
  8.1 试验材料  81
  8.2 实验方法  81-83
    8.2.1 总 DNA 的提取  81
    8.2.2 SSR 标记分析  81-83
  8.3 结果与分析  83-85
    8.3.1 不同位点的遗传多样性  83-84
    8.3.2 鹅掌楸亲、子代群体遗传多样性  84-85
  8.4 讨论  85-87
    8.4.1 鹅掌楸天然群体遗传多样性  85-86
    8.4.2 鹅掌楸亲、子代群体遗传多样性比较  86-87
第九章主要结论、创新点及进一步研究展望  87-90
  9.1 主要结论  87-89
    9.1.1 三种常用亲本分析软件效率的比较  87
    9.1.2 广西猫儿山鹅掌楸天然群体谱系重构  87
    9.1.3 鹅掌楸群体空间遗传结构  87-88
    9.1.4 鹅掌楸种群基因流研究  88
    9.1.5 广西猫儿山鹅掌楸天然种群动态  88
    9.1.6 广西猫儿山鹅掌楸天然种群空间分布格局研究  88
    9.1.7 鹅掌楸亲、子群体遗传多样性比较  88-89
  9.2 创新点  89
    9.2.1 鹅掌楸天然群体的谱系重构  89
    9.2.2 鹅掌楸空间遗传结构的研究  89
  9.3 进一步研究展望  89-90
    9.3.1 多地点鹅掌楸空间遗传结构的研究  89
    9.3.2 鹅掌楸核基因组 SSR 分子标记的开发及高精度检测技术的应用  89-90
攻读学位期间发表的学术论文  90-91
参考文献  91-100

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