1、分类号密级UDC 编号 10486武 汉 大 学博 士 学 位 论 文穗花狐尾藻杂交、遗传多样性与环境相关性研究研 究 生 姓 名： 吴志刚指导教师姓名、职称： 于 丹 教 授徐新伟 副教授专 业 名 称： 生态学研 究 方 向： 植物分子生态学二 零 一 五 年 五 月 三 十 日The influence of ecological factors on the hybridization and genetic variation of Myriophyllum spicatumPh.D Candidate: ZhigangWuSupervisor:ProfessorDanYuAssoc
2、iate Professor Xinwei XuJune 20152论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者（签名）：年 月 日目录I目录摘要 .IABSTRACT .III第一章前言 .11.1 研究背景 .11.1.1 分子生态学 .11.1.2 分子生态学在植物生态学中的应用 .51.2 研究现状 .71.2.1 水生植物分子生态学研究现状 .7
3、1.2.2 狐尾藻的研究现状 .111.3 研究内容、目的和意义 .15第二章穗花狐尾藻微卫星位点分离 .162.1 实验材料和方法 .172.1.1 实验材料 .172.1.2 微卫星文库建立 .182.1.3 引物设计及筛选 .222.1.4 微卫星位点多态性分析 .232.1.5 穗花狐尾藻微卫星位点在近缘种中通用性 .232.2 结果 .232.3 讨论 .272.3.1 微卫星位点在多倍体物种中的应用 .272.3.2 微卫星位点开发方法比较 .28第三章穗花狐尾藻和西伯利亚狐尾藻的自然杂交与基因渐渗 .303.1 实验材料和方法 .313.1.1 穗花狐尾藻和西伯利亚狐尾藻种群采集
4、 .313.1.2 基因组提取 .313.1.3 微卫星分析 .313.1.4 叶绿体分子标记 .373.1.5 种子萌发实验 .383.2 结果 .383.2.1 微卫星数据 .393.2.2 叶绿体数据 .40目录II3.3.3 种子性状及种子萌发结果 .443.3 讨论 .44第四章穗花狐尾藻和西伯利亚狐尾藻气候生态位比较 .484.1 实验材料与方法 .494.1.1 BIOCLIM 气候数据收集及环境空间量化 .494.1.2 生态位分析 .494.2 结果 .524.3 讨论 .54第五章穗花狐尾藻的种群遗传多样性和结构 .585.1 实验材料及方法 .585.1.1 穗花狐尾藻种
5、群采集 .585.1.2 基因组提取 .595.1.3 微卫星位点扩增及分型 .595.1.4 数据分析 .595.2 结果 .645.2.1 穗花狐尾藻遗传多样性 .645.2.2 穗花狐尾藻种群遗传分化和结构 .645.2.3 影响狐尾藻遗传多样性的因素 .655.3 讨论 .67第六章地理、环境因子对穗花狐尾藻遗传分化的影响 .716.1 实验材料及方法 .716.1.1 地理、环境因子对中国穗花狐尾藻种群遗传分化的影响 .726.1.2 地理、环境因子对高原地区穗花狐尾藻种群遗传分化的影响 .726.2 结果 .756.2.1 中国穗花狐尾藻种群遗传分化与地理、气候因子相关性 .756
6、.2.2 高原地区穗花狐尾藻种群遗传分化与地理、环境因子相关性 .786.3 讨论 .80第七章论文总结 .847.1 论文主要结果及结论 .847.2 论文的创新点、不足之处及展望 .857.2.1 论文的主要创新点 .857.2.2 论文的不足之处 .857.2.3 展望 .86参考文献 .88目录III博士生期间完成的论文情况 .117致谢 .118穗花狐尾藻杂交、遗传多样性与环境相关性研究I摘要了解物种的遗传多样性水平及其分布，以及生态因子是如何影响种间和种内种群间基因流和遗传分化是分子生态学研究的重要内容，也是进化生物学研究关注的热点之一。本文以全中国广泛分布的沉水植物穗花狐尾藻及其
7、近缘种西伯利亚狐尾藻为研究对象，进行微卫星位点的开发；研究这两个物种在两个共同分布区的自然杂交状况，探讨气候生态位对种间杂交的影响；研究穗花狐尾藻在全国范围的遗传多样性及其分布格局并探讨地理和环境因子的影响作用。主要结果如下：（1） 通过磁珠富集法分离 20 个穗花狐尾藻微卫星位点，并在两个天然种群中评价其多态性。每个位点等位基因数和期望杂合度从 1 至 13 和 0 至0.873 不等，所有的位点均可以在其近缘种西伯利亚狐尾藻和轮叶狐尾藻中成功扩增。表明这些微卫星位点具有较高的多态性和良好的通用性，可以作为穗花狐尾藻及其近缘种种群遗传和进化研究的有力工具。（2） 利用 8 个微卫星位点和 2
8、 个叶绿体片段研究和分析穗花狐尾藻和西伯利亚狐尾藻在中国东北和青藏高原两个共同分布区内的自然杂交和基因渐渗。在 51 个狐尾藻种群中共发现了 12 个种群含有杂种个体或全部由杂种个体组成，其中 10 个来自于青藏高原而仅有 2 个来自东北。虽然杂交过程是双向的，即双方都可以互为父母本，但西伯利亚狐尾藻更倾向于作母本，其中 3 个青藏高原种群所有个体的叶绿体基因来自西伯利亚狐尾藻，但核基因来自于穗花狐尾藻，这是由杂种反复与穗花狐尾藻回交造成的叶绿体捕获现象。另外，种子萌发实验和种群克隆多样性分析表明以穗花狐尾藻为母本的杂种可能不能进行有性繁殖。（3） 通过“pca-env”方法，利用 Biocl
9、im 气候数据对穗花狐尾藻和西伯利亚狐尾藻的气候生态位进行量化，并在中国东北和青藏高原两个共同分布区分别比较两种狐尾藻的生态位重叠程度和相似性。结果表明：在东北，两种狐尾藻表现出明显的生态位分化且杂种的分布局限于狭窄的地理区域；而在青藏高原两种狐尾藻表现出明显的生态位重叠，杂种离散分布于多个不同的地理区域。生态位相似性的差异可以很好地解释两种狐尾藻在两个共同分布区不同的杂交频率以及分布模式，也表明气候对于狐尾藻杂交和进化可能存在影响。另外，我们通过比较发现青藏高原杂种狐尾藻与亲本之间并没有出现气候生态位分化，表明杂种在其生境下得以生存可能与气候以外的环境因子相关。（4） 利用 12 个微卫星位
10、点分析全中国范围内生活于不同类型水体的 58个穗花狐尾藻种群的遗传多样性及遗传结构。发现穗花狐尾藻具有较高的遗传武汉大学博士学位论文II多样性，并呈现出西低东高的趋势，这可能与西部地区更为零散而隔离程度较高的水生生境引起的种群较小及基因流水平低有关。另外，我们发现生境类型显著影响种群内多样性水平，其中静水水体显著大于流水水体，湖泊生境显著大于湿地、沼泽生境。以上结果表明生境类型、大小和隔离程度显著影响了穗花狐尾藻的遗传多样性。遗传结构分析揭示了中国的狐尾藻种群可以根据其地理分布大致分为两个遗传类群：西北类群和东南类群，表明可能存在与山脉相一致的基因流屏障，而将东南类群进行亚类群分组时并没有表现
11、出与水系相一致的遗传结构，表明由水鸟介导的种子传播可能在遗传结构的形成中有一定作用。通过 Mantel 检验和多元回归分析地理距离、地理屏障以及环境异质性与遗传距离之间的相关性，揭示了地理屏障以及环境差异共同影响了穗花狐尾藻的遗传分化，而环境的影响更为明显。（5） 以 Bioclim 气候数据、水体性质和海拔作为环境变量，利用 14 个微卫星位点分析了地理和环境因子对 13 个高原地区的穗花狐尾藻种群遗传分化的影响。通过 Mantel 检验和多元回归分析计算地理和环境因素各自的效应。结果揭示青藏高原和云贵高原的群体为两个不同的遗传类群，景观遗传分析表明遗传分化和地理距离之间显著相关，而遗传分化
12、和环境异质性的相关性并不显著，这可能与高原地区水生植物的传播受制于水体的隔离而动物传播者很少到访，以及水生植物通过较强的可塑性应对高原环境胁迫有关。本研究表明在高原地区的环境梯度下，地理隔离引起的传播限制以及遗传漂变依然是穗花狐尾藻在该地区进化的主要动力。结合上述分析结果，我们得到以下结论：穗花狐尾藻和西伯利亚狐尾藻在中国存在双向的自然杂交而西伯利亚狐尾藻倾向于作为母本，环境因素可以影响杂交的发生频率及式样；中国的穗花狐尾藻具有较高的遗传多样性，生境类型、大小和隔离程度可能是影响其种群多样性的主要因素；地理和环境因子都可以影响穗花狐尾藻种群的遗传分化，但在不同的尺度、区域和自然条件下表现出不同的效应，而水鸟介导的种子传播可能在穗花狐尾藻基因交流中起着重要作用。本研究揭示了生态因子对穗花狐尾藻和西伯利亚狐尾藻种间基因流以及穗花狐尾藻种群遗传多样性和遗传分化的影响作用，为生态因子如何影响水生植物微进化过程和种间基因流提供研究案例，有助于人们更好地理解水生植物的进化。关键词：水生植物，狐尾藻，杂交，遗传多样性，环境相关性，微卫星，分子生态
