中国植物系统和进化生物学研究进展

植物系统和进化生物学旨在探讨植物物种多样性的起源、多样化及其进化的机制, 是综合性越来越强的研究领域。2017年在深圳召开的第19届国际植物学大会(IBC 2017)为中国学者提供了一次难得的展示自身实力的机会和舞台, 同时也极大地推动了中国植物系统与进化生物学领域的研究。值此大会召开5周年之际, 本文拟就中国系统和进化生物学领域近年来取得的主要进展和突破做一简要回顾, 以帮助读者了解中国植物系统和进化研究的发展态势, 并在此基础上展望未来该领域的发展趋势以及面临的机遇和挑战。在过去5年中, 中国学者在植物系统与进化生物学领域的各个方面均取得了令人鼓舞的成绩和突破, 涉及植物起源和物种多样性格局的演变、植物分类和系统发生重建、物种形成和适应性进化、种间互作和协同进化、新性状的起源及其进化发育机制、植物多倍化的机制和多倍体进化、物种濒危机制和物种保护以及栽培植物的起源和驯化等等。这些研究成果不仅在数量上而且在质量上有显著提升, 受到国际学界的广泛关注, 意味着中国学者已经成为国际该领域研究的重要力量, 并将在国际植物系统和进化研究领域发挥更大的作用。     

国家自然科学基金委重大项目“禾本科植物的适应性辐射及其进化机制”结题综述

国家自然科学基金委重大项目"禾本科植物的适应性辐射及其进化机制"利用比较形态学、分子系统学、进化发育生物学、古生物学等多方面证据,通过多学科交叉的方法探讨了禾本科植物中出现的适应性辐射现象及其机制,在禾本科的系统发育关系以及适应性辐射的基本式样、生物和非生物环境因素在物种适应和分化以及物种快速形成中的作用、基因组大小及其结构变异以及突变、重复和调控模式变化对适应性辐射过程中关键性状(功能)的影响等方面取得了重要进展,在人才培养、国际合作和实验体系建立等方面极具特点。该项目的顺利完成为更好地阐明植物多样性形成的原因与机理奠定了良好的基础。     

铁皮石斛组培苗与菌根真菌共培养过程中的相互作用

由于人为的滥采滥挖和野外生境的退化, 使得铁皮石斛 (Dendrobium officinale) 这种名贵的中药材一直处于极度濒危的状态。为了从菌根真菌的角度给人工保育铁皮石斛提供理论指导, 对铁皮石斛的组织培养苗人工接种‘GDB181’菌株 (Epulorhiza sp.) 。培养60d后, 接菌苗平均鲜重增长率比对照苗高出了84.8%。在营养元素含量方面, 接菌苗的B、Si、Fe、Cu和Mn元素含量的净增率分别为780%、533%、192%、191%和128%, 均在100%以上;其他元素含量也有不同程度的增加 (除Zn外), 结果证明两者有效地建立了共生关系。在显微和超微结构的观察中发现:真菌菌丝随机破坏铁皮石斛的根被入侵到外皮层, 并从外皮层细胞不断扩展延伸到皮层的大型细胞, 最后在大型细胞中被分解消化。在真菌侵染过程中, 被侵染的皮层细胞的细胞壁严重扭曲变形, 菌丝在皮层细胞形成菌丝结, 菌丝结常位于细胞核附近或包围细胞核。在皮层的大型细胞中, 菌丝细胞被植物的溶酶体包围, 部分或全部被消解, 出现脱壁或失去细胞质甚至成为空腔等变化, 最终形成衰败的菌丝残骸, 溶酶体也随之消失。溶酶体分布越多的部位, 菌丝细胞消解变形越严重。含有菌丝残骸的皮层细胞可被新侵染的菌丝重新定殖, 这一菌丝侵染被消化再侵染的过程在铁皮石斛生长发育过程中可不断重复发生。     

古DNA及其在生物系统与进化研究中的应用

古DNA是指从已经死亡的古代生物的遗体和遗迹中得到的DNA.本文回顾了近20年古DNA研究所经历的3个阶段,从早期参与研究的科学家较少并主要利用克隆技术,到后来由于PCR技术的出现以及提取化石DNA技术的成熟从而出现大量有关古DNA的报道;近几年由于发现不少问题,并引起激烈的争论,科学家们因此而开始考虑古DNA的真实性问题,并且提出了开展古DNA研究的严格标准.本文还讨论了古DNA在人类起源、系统发育重建、动植物驯化及考古研究中的重要意义以及现状,表明古DNA的研究给某些原先的观点如人类的非洲起源说提供了重要证据,也对某些观点提出了挑战;古DNA研究还提供了某些已经灭绝生物的形态学和分子资料,为从序列上确定古代材料的系统位置并有效地补充仅用现代DNA建立起来的谱系提供了来自古生物的依据.在动植物驯化及考古方面,古DNA证据也为科学家提供了许多有价值的信息.最后,本文还对古DNA研究的应用前景进行了展望.     

濒危植物独花兰的形态变异及其适应意义

采用ANOVA和UPGMA等方法对濒危植物独花兰(Changnieniaamoena)分布于庐山、新宁和神农架3个地点的12个自然居群的形态变异进行了研究,探讨其形态多样性水平和地理变异式样及其可能的适应机制。结果表明,庐山居群13个性状的平均观测值均高于新宁和神农架居群。在物种水平上各个性状存在较丰富的变异,变异系数(CV值)为0.02–0.30。尽管同一性状在不同居群中的变异程度较大,但总体而言,花部器官的变异性比营养器官低。单因素方差分析显示3个地区间多个形态性状存在极显著差异(P<0.01);UPGMA聚类分析也表明这3个地区分别形成明显不同的分支。值得注意的是,神农架地区龙门河和关门山两个地点间存在明显的形态分化,而这种形态分化是以传粉者为媒介自然选择的结果。相关性分析显示,营养器官之间、花部器官之间,以及营养器官与花部器官之间均存在较高的相关性。上述结果对进一步了解独花兰的适应机制以及制定科学的保护策略提供了有益的资料。     

群体遗传学研究中的数据处理方法Ⅰ.RAPD数据的AMOVA分析

近年来,RAPD数据和AMOVA分析广泛地应用于群体遗传学和保护遗传学研究。然而,由于RAPD标记具显性特点,加上目前进行AMOVA分析所依赖的RAPDistance软件不完善,使得对RAPD数据进行AMOVA分析时存在许多不足。本文介绍了AMOVA分析的基本过程,同时引入一个新的程序DCFA用以替代RAPDistance,并详述了将DCFA与WINAMOVA联用,对RAPD数据进行AMOVA分析的具体步骤与注意事项。最后,以产自中国和巴西8个普通野生稻（Oryza rufipogon）天然群体为例,演示了对RAPD表型数据进行AMOVA分析的过程,讨论了AMOVA分析结果在群体遗传结构上的意义。通过对AMOVA算法的分析,同时比较4种距离系数所得AMOVA结果,我们认为在进行AMOVA分析时选择NEILI距离和欧氏距离平方较为合适,而目前国内使用较多的JACCARD系数不适合AMOVA分析。     

根据核DNA的ITS序列的RFLP分析鉴定稻属CD染色体组物种

稻属物种的染色体组类型有10种,其中具CD染色体组的物种有3种(Oryza alta Swallen,O.grandiglumis(Doell) Prod．和O.latifolia Desv．),仅分布在美洲中部和南部。这3个种在形态上和稻属其他染色体组的种比较容易区别,但它们彼此之间鉴别比较困难。近年来的研究表明,O.alta和O.grandiglumis应归并为1个种(O．gandiglumis),而O．latifolia应保持不变。本文基于代表不同分布区11个样品的核糖体转录间隔区(ITs)的77个克隆序列数据,利用DNA striderl.2软件进行了限制性酶切位点分析,提出了一个鉴别CD染色体组物种的方法。方法的具体步骤是：(1)用通用引物扩增ITS片段;(2)用特异性的限制性内切酶Fok I 和／或Dra III消化PCR扩增产物;(3)用1％的琼脂糖电泳并根据消化产物的多态性特征来鉴别不同物种。基于本文提出的核糖体ITS限制性片段多态性(RLFP)分析,可以快速和可靠地将稻属CD染色体组物种区别开来。     

神农架南坡珍稀植物独花兰的物候、繁殖及分布的群落特征

神农架南坡独花兰分布的群落一般位于坡度 1 5～ 45°的阴坡 ,海拔范围为 1 30 0～ 1 70 0 m。土壤类型主要为山地黄棕壤 ,p H值 5 .0～ 5 .6。9月中下旬独花兰地下假鳞茎萌芽出土并开始展叶 ,1 1月中下旬抽生花葶 ,次年 3月下旬开花 ,4月下旬至 5月上旬叶片逐渐枯死 ,地下部假鳞茎开始发育 ,9月中下旬假鳞茎发育成熟 ,1 0月下旬至 1 1月上旬果实成熟。独花兰的结实率两年的调查结果差异较大 ,分别为 2 .3%、9.5 %。每株独花兰每年能长出 1～ 3个假鳞茎 ,抽生 1～ 3个叶片和花葶。神农架南坡独花兰主要分布在以化香 ( Platycarya strobilacea)、四照花 ( Dendrobenthamia japonica)、华千金榆 ( Carpinuscordata var.chinen-sis)等为主的落叶阔叶林下以及以箬竹 ( Indocalamustessellatus)灌丛下 ,群落物种组成中北温带成分占绝对优势。群落遭到不同程度的人为干扰 ,随着干扰强度的递增 ,独花兰在不同群落中的个体数量有递减的趋势 ,在郁闭的森林下个体数量最大而箬竹灌丛下最小。人为干扰、结实率低、种子萌发困难是导致独花兰濒危的主要原因 ;建立保护区 ,恢复独花兰分布区的森林植被是保护独花兰的有效途径。     

中国疣粒野生稻的分布、濒危现状和保护前景

继1978-1982年全国野生稻普查后,又一次对中国疣粒野生稻（Oryza granulata (Nees et Arn.Ex Watt.））主要分布点的居群特征、濒危现状和破坏情况进行了野外生态学研究。由于行政区划的改变,目前疣粒野生稻在中国分布的市（县）达30个。它在群落盖度为90%-210%下生长良好,具有抗旱和适应中度干扰的能力。聚集参数分析表明在群落中居群以集群分布为主。该物种主要通过重力和动物传播种子,居群间的基因流有限,形成了典型的集合种群（metapoulation）结构。生境丧失对疣粒野生稻的生长造成非常严重的后果,巳有12.9%的疣粒野生稻居群灭绝,83.9%的居群处于中度和重度的干扰之下。由于各地区的破坏程度不平衡,目前疣粒野生稻的分布被压缩到海南省的西南部山区和云南省和澜沧江中下游、南汀河流域,面临热区开发的巨大威胁。研究中建立了中国疣粒野生稻的总DNA库,作为易位保护的手段之一和开展保护遗传学研究的基础;并讨论了居群遗传结构与居群分布格局之间的相互关系和保护中需注意的问题。