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1、广西师范大学 硕士学位论文 濒危植物元宝山冷杉的保护遗传学研究 姓名：覃永贤 申请学位级别：硕士 专业：生物化学与分子生物学 指导教师：唐绍清 20070501 I 摘摘 要要 元宝山冷杉（Abies yuanbaoshanensis）是松科冷杉属的常绿针叶乔木，是世 界上仅产于广西中部元宝山的珍稀濒危植物。 在国家公布的首批珍稀濒危保护植 物中，它被列为一级保护的濒危植物，并于 1998 年被 IUCN“针叶树保护行动 计划”列为重点保护对象。元宝山冷杉是第四纪冰期幸存下来的濒危植物，是研 究我国第四纪冰川时期植物区系和气候变迁的“活化石” ，也是我国生物多样性 的关键类群。元宝山冷杉分布范
2、围狭窄，集中分布在元宝山林区海拔 19002000 m 的蓝坪峰，生长于针阔叶混交林中，面积仅 20hm2左右，在其他地方只有零星 分布，种群数量不足 1000 株。 本研究选用了元宝山冷山种群内三个不同采样地点的 125 株成熟大树的幼 叶作为研究材料，采用 cpSSR 和 SSR 两种分子标记方法，对元宝山冷杉样品的 遗传多样性水平和遗传结构进行了研究。 从保护遗传学的角度为制定科学有效的 元宝山冷杉保护措施提供科学的依据。本研究获得如下结果： 1.cpSSR 分子标记方法揭示元宝山冷杉居群总共有 14 种单倍型组合模式， 其有效单倍型数为 6.9168， 由 14 种单倍型组合出现的频率
3、计算得出的单倍型期 望杂合度为 0.8554。在 14 种单倍型中，有 4 种单倍型在元宝山冷杉种群内是比 较普遍的。 2 SSR 分子标记方法揭示元宝山冷杉居群 7 个基因座的等位基因观测数 （Na） 为 16，有效等位基因观测数（Ne）为 9.7073。元宝山冷杉等位基因的观测杂合 度（Het）为 0.2834，期望杂合度为 0.3088。由各等位基因出现的频率计算种群 内各基因座的总内繁系数 Fis 为-0.041。 说明元宝山冷杉种群的遗传多样性水平 低，但近交情况并不严重，只有轻微的纯合子过量现象。 3. 对元宝山冷杉根据 Nei genetic diversity; genetic
4、 structure; cpSSR; III SSR 论文独创性声明论文独创性声明 本人郑重声明： 所提交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 研究生签名： 日期： 论文使用授权声明论文使用授权声明 本人完全了解广西师范大学有关保留、 使用学位论文的规定。 广西师范大学、 中国科学技术信息研究所、清华大学论文合作部，有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用复印、缩印或其他复制手段
5、保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊 登）授权广西师范大学学位办办理。 研究生签名： 日期： 导 师签名： 日期： 1 第一章第一章 综综 述述 1.1 前前 言言 元宝山冷杉 （Abies yuanbaoshanensis Y J Lu et L K Fu)是松科(Pinaceae) 冷衫属的常绿针叶乔木， 为 20 世纪 70 年代吕庸浚先生首先发现 1 。 元宝山冷杉 仅分布于广西融水县的元宝山， 为我国特有的濒危孑遗植物 2 。 在国家公布的首 批珍稀濒危保护植
6、物中， 元宝山冷杉被列为一级保护植物 3 ， 国际自然保护联盟 （IUCN）把其评为“极危”等级 4 ，在 1998 年 IUCN 拟订的“国际针叶树保护 行动计划”中被列为全球重点保护的针叶树种 5,6 。 元宝山冷杉是第四纪冰川时期 幸存下来的濒危植物，是我国大陆冷杉属植物纬度分布最南、海拔分布较低的种 类，是研究我国第四纪时期植物区系和气候变迁的“活化石” 。对于研究我国南 部植物区系的发生和演变，以及古气候、古地理的变迁有重大的科学价值 7 。 1.2 元宝山冷杉的概况元宝山冷杉的概况 1.2.1 元宝山自然地理条件简概 元 宝 山 位 于 广 西 北 部 的 广 西 融 水 苗 族
7、自 治 县 境 内 ， 北 纬 25222532 、东经 10910109103，山脉呈南北走向，属于中 山地貌，一般海拔 1000-1500 m，最低处海拔 285m，主峰蓝坪峰海拔 2081m， 是大苗山山脉的主峰之一，为广西第三高峰。元宝山山体高大，河谷深切，坡度 陡急，相对高差 1000 米以上，最大为元宝峰，切割深度达 1600m。元宝山地处 中亚热带，气象站观察资料表明，其属于典型的中亚热带季风气候区，具明显山 地气候特征，雾雨多，日照时间较长，年均降水量达 2400 毫米，是广西降水量 最多的地区之一。气温夏凉冬冷，温度垂直变化大，年均气温 12-15，极地最 低温度为-12，
8、湿度达 90%以上 7,13 。 元宝山林区内的土壤主要为由花岗岩发育 而成的山地红壤，山地黄壤和山地黄棕壤，pH 值 4.5-5 ，表土层为枯枝落叶所 覆盖的黑色腐质土。元宝山植被的垂直分布明显，低海拔地方的常绿阔叶林已受 到严重的破坏，但 1200m 以上的中山常绿、落叶阔叶混交林和针叶混交林保持 了较好的原始性，从海拔约 1700m 开始,南方铁杉、南方红豆杉、元宝山冷杉等 零星出现于常绿落叶阔叶混交林的群落中，随着海拔的上升，这些针叶树种和其 他的常绿、落叶阔叶树种混交组成中山针阔混交林 7,13 。 1.2.2 元宝山冷杉的生物学特征 元宝山冷杉为常绿乔木，高达 25m，胸径 60-
9、80cm，树干通直，树皮暗红褐 色，不规则块状开裂；小枝黄褐色或淡褐色，无毛；冬芽圆锥形，褐红色，具树 脂。叶在小枝下面列呈 2 列，上面的叶密集，向外向上伸展，中央的叶较短，长 1-2.7cm，宽 1.8-2.5mm，先端钝有凹缺(通常二裂)，上面绿色，中脉凹下,下面有 2 两条粉白色气孔带， 横切面有两个边生树脂道。 球果直立， 短圆柱形， 长 8-9 cm， 直径 4.5-5cm，成熟时淡褐黄色；种鳞扇状四边形，苞鳞长约种鳞的 4/5，先端有 刺尖；种子椭圆形，长约 1cm，种翅倒二角形，淡黑褐色，长约种子一倍，宽 9-11mm 5 。 1.2.3 元宝山冷杉种群生态学研究进展 元宝山冷
10、杉主要分布在蓝坪峰附近海拔 1700-2050m 的冷杉坪内，老虎口、 白雪岭、燕子坳、迷路坪等地也有少量分布。元宝山冷杉群落区系组成总共有 52 科 81 属，群落种类的组成共有 107，其中乔木层种类有 36 种，而针叶树有 4 种 8 。在元宝山冷杉群落乔木层优势种类里，元宝山冷杉是最重要的，与其共生 的种类主要还有红皮木姜（Litsea pedunculata） 、南方红豆杉（Taxus chinensis var. mairei） 、南方铁杉（Tsuga chinensis） 、尾叶山茶（Camellia caudata）和杜鹃一种 （Rhododendron sp.）等。元宝山冷杉
11、的优势种在相当长的演替过程中可以保持 其优势地位，偶见种及目前尚未进入乔木层的乔木种类,由于缺少足够的幼树幼 苗，即使以后能够进入乔木层，但在相当一段时间内也不会改变目前优势区系成 分的结构，说明元宝山冷杉群落是一个成熟稳定的顶级群落 9 （殴祖兰，2002） 。 对元宝山冷杉种群的生态学研究。黄仕训等 10 （1996）根据 400 平方米样 方调查材料，分析了元宝山冷杉群落的基本特征：该群落为常绿针阔混交林，上 层林木主要是松科植物，中、下层以樟科、茶科、杜鹃花科、壳斗科为主；元宝 山冷杉在群落内现存大树基本上都是老龄树，林内幼苗数量少，但很难见到中龄 树木，因此他们认为元宝山冷杉种群年龄
12、结构不完整，将被常绿阔叶树取代。谢 强等 11 （1998）研究了元宝山冷杉群落中 12 个主要木本种群的生态位宽度和种 群间的生态位重叠值，结果表明，整个群落中，物种元宝山冷杉的生态位宽度最 大，占有资源量最多，种间生态位重叠关系分布于点集的形心，对整个群落的作 用是决定性的，元宝山冷杉种群在群落中地位的变化将导致群落性质的变化。向 悟生等 12 （2002）对 16 个元宝山冷杉群落的主要种群的生态位进行了研究，研 究结果与谢强等的研究结果相似。结果还表明，南方铁杉和元宝山冷杉之间有相 似的生态特性，同为群落的上层优势种，两者在长期的演化过程中为了抵御恶劣 的的外界环境，提高各自的生存能力
13、，形成了一定的协作关系。这种协作关系使 得元宝山冷杉在群落中的地位逐渐得到巩固和加强。李先琨等 13 （2002）用理 论分布模型和聚集强度指数对元宝山种群的结构和分布格局进行了研究， 结果表 明：元宝山冷杉种群幼苗个体比例大，小个体级死亡率较高；元宝山冷杉种群呈 现聚集分布，在不同发育阶段的分布格局有差异：幼苗、幼树阶段为集群分布， 中龄阶段向随机分布发展，大树呈均匀分布。潘百明等 14 （1998）对元宝山冷 杉种群的大小结构、存活曲线和水平分布格局及动态进行的研究表明：元宝山冷 杉种群在森林群落中具有增长型的繁殖潜力而表现为衰退型的演替趋势； 种群分 布格局有集群分布演变为均匀分布；元宝
14、山冷杉种群动态受环境影响相当明显。 唐润琴等 15 （2001）对元宝山冷杉的结实特性和种子繁殖力进行了初步调查： 不同植株的球果产量、单果种子数量均有差异，球果长短、大小与种子数量、种 子质量(饱满率)存在显著的正相关；种子吸水过程明显分 3 个阶段并且种子生活 力极低(用 0.1%靛蓝溶液测定)，饱满种粒在培养箱中发芽率为 18.9%，场圃发芽 率 6.8%，因此她认为种子发芽率低是元宝山冷杉自然更新能力不强、种群难以 延续和扩展的重要因素。 李先琨等 16对元宝山冷杉种群生命表进行分析后指出： 3 种子和幼苗的生存适合度低是元宝山冷杉种群濒危的的主要原因之一。 王燕等 17 （2002）
15、 用 AFLP 方法对 43 棵元宝山冷杉种群的植株进行了研究， 用 4 对引物组合用于 AFLP 扩增，共得到 261 条 DNA 扩增带。分析结果显示： 元宝山冷杉种群的多态位点百分率为 50.96%，Neis 基因多样性指数（H）为 0.1510，Shannon 多样性指数（I）为 0.1735。用 NTSYS 软件计算各个样品间的 遗传相似性系数，样品间的 Nei 和 Li 相似性系数在 0.877-0.994 之间，说明它们 的相似性程度很高。用 UPGMA 法基于相似性系数进行了聚类分析，UPGMA 可 以将种群内抽样的个体都区分开来，因为个体间的遗传相似性很高，它们并没有 按样品采样的四个地点聚合为 4 群，反映出元宝山冷杉的遗传多样性较低。这些 数据表明， 元宝山冷杉种群的遗传多样性水平低， 种群间个体的相似性系数很大， 无明显亚种群间的遗传分化。 1.3 保护遗传学与遗传多样性研究方法保护遗传学与遗传多样性研究方法 1.3.1 保护遗传学与遗传多样性的概念 保护生物学（conservation biology）是研究生物多样性保护的科学，其重要 内容之一就是加强对珍稀濒危物种的研究和保护 18 ，研究热点包括小种群生存 概率和物种濒危灭绝机制等 19 。它有两个目的，即研究人类对生物多样性的影 响和防止物种灭绝的的有效途径。 研究物种遗传变异
