基因组学技术在生物多样性保护研究中的应用

在分子生物学、细胞生物学、微生物学、遗传学等学科的推动下, 生物多样性研究从仅关注宏观表型的博物学, 迅速演化为涵盖生态系统、物种和遗传多样性等多个维度的综合性生命科学。组学技术, 尤其是DNA测序技术的更新和发展, 使获取DNA序列所需的成本大幅下降, 促进了近年来其在生物多样性研究中取得的一系列令人瞩目成就。本文将从物种水平的遗传多样性和群落水平的物种多样性两个层面总结和介绍与DNA相关的组学技术在生物多样性研究中的一些创新和应用。其中, 物种水平主要是总结单一个体的基因组和单物种多个体在时空多个维度上的群体遗传研究; 而群落水平的物种多样性层面主要总结现有的分子鉴定技术(metabarcoding, eDNA, iDNA等), 以及上述新技术在群落多样性评估、旗舰保护物种监测以及物种间相互作用关系等研究中的应用。     

生物多样性理论最新进展

生物多样性是生态系统复杂性的重要特征, 理解多样性的形成和维持机制一直是理论生态学研究的核心议题。本文从三方面概述了生物多样性理论的最新进展。一是物种共存和群落构建, 总结了现代共存理论和基于过程的群落构建理论的新进展。二是物种相互作用, 综述了利用经验数据推断物种相互作用关系和强度的最新方法。三是生态-进化动态, 介绍了生态-进化模型的一般框架及其在生物多样性研究中的应用。最后对生物多样性理论的发展趋势做了展望, 特别是多尺度整合理论和全球变化下的预测理论。     

鱼类多样性监测的理论方法及中国内陆 水体鱼类多样性监测

近年来, 生物多样性监测网络的建设得到广泛重视, 全球、地区或国家生物多样性观测网不断组建。生物多样性观测的理论框架得到发展, 提出了生物多样性核心监测指标(Essential Biodiversity Variables, EBV)。鱼类多样性监测的理论框架包含于生物多样性核心监测指标之内, 在遗传、物种、生态系统等多层次进行。基于鱼类监测提出的生物完整性指数(index of biotic integrity, IBI)强调不同物种的生态功能, 可以综合反映群落结构和功能的变化, 得到广泛应用。鱼类多样性的监测方法是传统网具和现代水声学等方法的结合。监测结果的分析可以进行简单的指数比较, 也可以进行长期的趋势分析, 寻找关键节点, 探讨宏观生态格局的变化。中国内陆水体鱼类多样性监测网隶属于中国生物多样性监测与研究网络, 拟选取长江、黄河、黑龙江、珠江、澜沧江、怒江、塔里木河及青海湖8大流域, 对25个重要区域和24个重点物种(类群)进行监测, 从重要区域鱼类群落结构、重点物种(类群)种群动态和个体生物学特征、遗传多样性、早期资源等不同层次, 全面监测我国内陆水体鱼类生物多样性状况。     

植物遗传多样性与生态系统功能关系的研究进展

全球变化和人类活动导致物种生境的萎缩, 造成很多植物种群数量缩减, 遗传多样性快速丧失。对于物种多样性低的生态系统, 优势种的遗传多样性可能比物种多样性对生态系统功能产生更大的影响。因此, 了解遗传多样性和生态系统功能的关系(GD-EF)及其机制对生物多样性保护、应对环境变化和生态修复具有指导意义。该文综述了植物遗传多样性对生态系统结构(高营养级生物群落结构)和生态系统功能(初级生产力、养分循环和稳定性)的影响及机制、功能多样性对GD-EF的影响、遗传多样性效应和物种多样性效应的比较, 以及GD-EF在生态修复等实际应用的研究进展。最后指出当前研究的不足之处, 以期为后续研究提供参考: 1)还需深入研究GD-EF机制; 2)未评估遗传多样性对生态系统多功能性的影响; 3)不同遗传多样性测度对生态系统功能的影响不明确; 4)缺少长期的和多空间尺度结合的GD-EF实验; 5)遗传多样性效应相对于其他因子的作用不清楚。     

北京及周边地区刺蛾科昆虫系统发育多样性研究

【目的】鳞翅目刺蛾科(Lepidoptera:Limacodidae)昆虫是重要经济、行道林木的主要害虫,本试验旨在研究北京及周边地区刺蛾科昆虫的系统发育多样性,阐明其群落结构组成与环境因子之间的关系,为北京及周边地区林木害虫防治和生态系统环境保护提供科学依据。【方法】采用灯诱法于2010-2013年间进行样品采集,基于DNA条形码技术及形态特征对9个刺蛾科昆虫群落进行物种识别和鉴定,利用R软件包进行物种丰富度指数、多样性指数和系统发育多样性指数计算及相关性分析。【结果】9个群落间物种多样性和系统发育多样性之间存在差异,北部燕山地区具有较高的物种丰富度和系统发育多样性,可能与植物类型不同有关;通过多种方法分别计算系统发育多样性,结果表明系统发育多样性指数对于系统发育树构建方法和物种内遗传差异不敏感;系统发育多样性与环境因子相关性研究结果表明,该地区刺蛾科群落系统发育多样性与温度季节变化存在显著正相关性。【结论】北京及周边地区刺蛾科昆虫群落结构具有地理差异,温度季节变化可能会造成环境异质性的增加,从而增加了群落系统发育多样性的复杂度。     

关帝山次生林区典型森林交错带物种多样性研究

森林交错带富于高的生物多样性。应用Shannon-Weiner指数、Simpson指数、Margalef指数、Pielou指数,研究了关帝山次生林区森林交错带中处于不同演替阶段的群落物种多样性动态特征,同时对交错带内群落与相邻群落的物种多样性特怔进行了对比分析。结果表明：处于森林演替不同阶段的交错带,在由阔叶林、针阔叶混交林到针叶林的演替过程中,Shannon－Weiner多样性指数、Margalef丰富度指数均表现出单峰变化趋势,在演替中后期的针阔叶混交林阶段,指数值最高。Simpson优势度指数则表现出凹形变化．不同于多样性、丰富度指数,在演替中后期,达到最低值。Pielou均匀度指数表现出下降趋势。交错带内群落与相邻群落相比,Shannon－Weiner多样性指数较高,具有高的物种多样性,边际效应表现为正效应。Margalef丰富度指数变化与Shannon－Weiner多样性指数变化不一致,只在一定程度上证明了边际正效应的影响。两指数共同反映出研究地区的森林交错带内群落具有较高的物种多样性。     

生产力、可靠度与物种多样性:微宇宙实验研究

近年来,生物多样性与生态系统功能的关系成为生态领域内一个重大科学问题。有一些实验研究表明,物种多样性的降低会使生态系统的生产力、稳定性等功能受损,然而对这些实验结果的解释却产生了激烈的争论,因为有两种机制-“生态位互补”和“抽样效应”都可能会产生这种结果。本项研究通过微宇宙实验探讨了物种多样性与生态系统生产力及其可靠度的关系。在10种单细胞藻类中随机抽取物种,构建具有不同物种丰富度的水生群落,并使同一物种丰富度水平的群落之间没有物种交叉,然后检测物种丰富度对群落生产力及其可靠度的作用,群落生产力以藻类干重表示,自实验开始后第4周起,每周测定1次,共测5次。结果显示：物种丰富度对群落生产力有正效应,并且这种正效应随时间推移而增强;许多混合群落的生产力超过了该群落内所有物种的单产,即发生了超产现象,在实验初期某些特定物种对一些混合群落生产力有主要贡献,而在实验后期却没有任何多物种群落的生产力受个别物种存在与否的影响,群落生产力的可靠度与物种丰富度之间不存在显著相关。从以上结果可以得知：物种多样性对群落生产力有着逐渐增强的正效应;物种多样性对生产力的正效应是生态位互补和抽样效应共同作用的结果,但随时间推移,抽取效应逐渐减弱,本顶研究支持了关于生态位互补与抽样效应在多样性正效应中共同起作用的认识,并说明了这两种机制的相对重要性随时间推移而发生改变。     

高山生物多样性对气候变化响应的研究进展

高山带是指自然气候森林边界即林线到雪线之间的无林区域。受低温限制的高山生物对气候变化具有高度的敏感性, 因此高山带被视为监测气候变化的理想试验场所。气候变暖加速了高山冰雪消融, 也加剧了高山生物多样性的波动, 因而高山生物多样性变化对于指示全球气候变化具有十分重要的意义。目前, 高山生物多样性对气候变暖响应的研究主要集中在高山物种组成和群落结构的变化、物种的分布格局和适宜生境的变化、林线交错带的位移、种间关系的变化等方面。气候变化与人为干扰等因素的叠加效应为预测未来生物多样性的变化增加了很多不确定性, 从长期来看, 气候变化效应相对于其他因素会显得越来越重要。未来的重点研究领域包括高山带生物多样性对极端气候变化的响应、全球气候变化背景下生物多样性与生态系统过程的关系、高山带地上/地下生物多样性的相互作用关系及其对气候变化的响应与适应、全球气候变化与人类活动干扰的叠加效应对高山生物多样性格局的影响等。     

航空航天遥感在物种多样性研究与保护中的应用

人类活动导致全球范围内生物多样性丧失日趋严重。物种多样性是研究最为深入以及最贴近生物多样性管理的层次。物种多样性的研究往往受到多时空尺度生态过程的影响, 传统物种多样性调查方法受到人力物力影响, 局限性大, 物种多样性的研究与管理亟需整合不同来源的数据。遥感技术从传统的光学遥感阶段发展到不同平台、不同维度相结合的多源遥感阶段, 并逐渐进入以高空间分辨率和高光谱为特征、以激光雷达为前沿发展方向的综合遥感阶段。遥感技术因为其监测范围广、能监测人迹罕至地区以及长期可重复等特性, 为研究不同时空尺度的生态学科学问题提供了更新更优的研究手段。本文围绕种群动态、种间关系与群落多样性、功能属性及功能多样性以及生物多样性保护管理等生物多样性研究热点问题, 系统地论述了航空航天遥感技术在物种多样性研究与保护领域的应用, 总结了航空航天遥感技术在研究与物种多样性有关的主要生态学问题中的机遇与挑战。我们认为航空航天遥感技术利用多光谱甚至高光谱与激光技术从空中监测物种多样性, 从不同视角、基于不同光源提供了物种多样性不同侧面的信息, 能够减小地面调查强度, 在大范围和边远地区的物种多样性调查研究中有着至关重要的作用。依据光谱特性的物种判别以及依据激光雷达的三维结构量测将促进生物多样性的研究与管理, 加强遥感学家和生物多样性研究者的沟通交流将有助于促进不同时空尺度的生物多样性与遥感技术的结合。     

利用农业生物多样性持续控制有害生物

农业生物多样性对保障全球粮食安全和农业可持续发展至关重要.人类在多样性的形成上发挥了关键作用,人类结合自然进化创造了遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性.农业生物多样性发挥了很多社会经济和环境功能:保障粮食安全;维持农业生态系统可持续发展;赋予农村经济适变性.但当前人类毁灭农业生物多样性的速度更为惊人.在总结石油农业单一化种植的生态负效应、传统农业提倡“天人合一”的生态正效应的基础上,分析讨论了利用农业生物多样性持续控制有害生物的必要性和可行性,从生态系统多样性、物种多样性和种内遗传多样性3个层次,归纳了构建和恢复农田生物多样性的基本方法.基于病理学、生态学、营养学和生理学等学科领域,从群体异质效应、稀释效应、微生态效应、诱导抗性效应、物理阻隔效应、生理学效应和化感效应等7个方面,归纳了利用农业生物多样性持续控制有害生物的基础原理.寻求低投入、高效益、多样化和可持续的农业生产系统是当今世界许多科学家、决策者和生产者共同关心的问题.农业生物多样性具有重要的生态作用,在现代农业框架下,是合情合理构建持续、稳定、健康、高产的农田生态系统,持续控制有害生物的金钥匙.为此必须加强四方面的课题研究:各种作物之间的相生相克关系及其作用机理;各种有害生物的主要天敌种类、生物学、生态学特性及其适生环境;利用农业生物多样性全面、持续控制有害生物的农业生产模式;与其相配套的农艺措施与农业机械.     

降解芳烃微生物的多样性

芳烃是一类生物异源物质,自然微生物群落利用其对环境的适应性,对这类物质由陌生到适应,微生物群落的遗传背景发生了变化,降解芳烃的微生物呈现出多样性,本文系统介绍了降解芳烃微生物的特性,物种资源,环境适应,遗传背景及演变;介绍了各遗传型物种的功能基因数量,表达及调控方式,指明芳烃环境污染的生物修复主要取决于高效工程构造及代谢过程的控制。     

长白山不同演替阶段针阔混交林群落物种多样性及其影响因子

基于长白山3个5.2hm²针阔混交林永久监测样地的野外调查数据,以胸径(DBH)≥1cm的乔木树种为对象,运用R4.0.3软件计算物种多样性指数以及进行物种多样性相关性分析和多元回归分析,以探讨生物和非生物因素对不同演替阶段针阔混交林物种多样性的影响。结果表明：(1)3个典型针阔混交林的4个物种多样性指数均随演替的正向进行而下降,其中物种丰富度、Shannon-Wiener指数和Simpson指数在3个演替阶段存在显著性差异,而Pielou均匀度指数在次生杨桦林与次生针阔混交林阶段差异不显著。(2)胸径结构变量是影响物种多样性变化的主要驱动因子,随着演替的进行,林分密度对物种多样性产生的影响越来越大。(3)所有土壤因子在针阔混交林阶段对物种多样性指数均表现出显著的影响,而在次生杨桦林只有土壤全氮与物种多样性指数存在显著相关关系,土壤全磷在原始椴树红松林阶段是影响物种多样性的主要因素。综上,研究认为在各演替阶段,生物和非生物因素均影响着森林群落的物种多样性,胸径结构和林分密度是影响群落物种多样性的主要因素,林分中的土壤因子受到不同群落特征的影响产生不同变化,从而对群落的物种多样性产生影响也有所不同。     

植物群落物种多样性研究综述

物种多样性是生物多样性在物种水平上的表现形式 ,包括两方面的含义 ,一是指一定区域内物种的总和 ,主要从分类学、系统学和生物地理学角度对一个区域内物种的状况进行研究 ,也称区域物种多样性 ;二是指生态学方面物种分布的均匀程度 ,常常是从群落组织水平上进行研究 ,也称为生态多样性或群落多样性[1] 。本文所涉及物种多样性即为群落组织水平上的物种多样性。植物群落物种多样性的研究是其它多样性 (遗传多样性、生态系统多样性等 )的基础 ,有大量的研究成果相继报道 ,也有一些综述对植物群落物种多样性某一领域的研究进行总结。Ｍａｇｕ…     

竹叶眼子菜种群遗传多样性与群落物种多样性关系的研究

以洪湖中的沉水植物群落及其优势种竹叶眼子菜(Potamogeton wrightii Morong)为研究对象,利用AFLP分子标记结合野外调查的方法,分析保护区(干扰较小)与非保护区(干扰较大,敞水区)中沉水植物群落的物种多样性与竹叶眼子菜遗传多样性之间的相关性。结果显示:洪湖沉水植物群落物种丰富度(S)和物种多样性辛普森指数(D)在保护区和非保护区均未发现显著性差异;竹叶眼子菜的重要值(IV)在保护区(5.2%~23.2%)较非保护区(8.5%~73.3%)稳定。竹叶眼子菜的遗传多样性在两个区未发现显著差异,其遗传多样性与群落物种多样性这两个指标在保护区、非保护区及全湖水平均不相关,说明沉水植物群落的物种多样性和竹叶眼子菜的遗传多样性对不同环境干扰的响应有所差异。     

系统发育多样性测定及其在生物多样性保护中的应用

生物多样性保护面临两个基本问题：如何确定生物多样性测度以及如何保护生物多样性。传统的生物多样性测度是以物种概念为基础的,用生态学和地理学方法确定各种生物多样性指数。其测度依赖于样方面积的大小,并且所有的物种在分类上同等对待。系统发育多样性测度基于系统发育和遗传学的理论和方法,能确定某一物种对类群多样性的贡献大小。该方法比较复杂,只有在类群的系统发育或遗传资料比较齐全时方能应用。本文认为,物种生存力     

大兴安岭地区兴安落叶松林步甲群落多样性时间动态分析

兴安落叶松林是大兴安岭地区代表性的植被类型,其生物多样性具有独特性。步甲是森林生态系统环境和多样性的指示性物种,以及认识环境变化和生物多样性特征的关键物种。为研究大兴安岭地区兴安落叶松林步甲群落多样性的时间动态,分析步甲群落对时间变化的响应规律,于2019年5月下旬-8月下旬步甲活跃期,利用陷阱诱捕法在兴安落叶松林5个样地中采集步甲标本共15属34种1149头,其中大兴安岭地区地理新纪录物种7种,中国地理新纪录物种6种。研究结果表明,通缘步甲属（Pterostichus）和大步甲属（Carabus）物种丰富度最高;通缘步甲属未定种5（Pterostichus eximius）为极优势物种,对时间变化最敏感。兴安落叶松林小生境类型的多样化和步甲休眠期的选择是步甲群落个体数和物种数随时间变化呈双峰模式的主要因素,最高峰均出现在6月下旬;多样性与均匀度指数均在7月上旬达高峰期,8月下旬多样性下降而均匀度上升,各指数之间相关性较低。步甲群落在6月下旬到7月下旬对环境具有较高的适应度;群落结构在环境条件相对稳定的6月下旬到7月下旬和8月上旬到8月下旬均表现为极相似（I>0.75）。物种取食特征和生活史策略的多样化使步甲群落各指数随时间变化具有显著差异,而物种取食特征和生活史策略受环境因子的综合影响较大。稳定的森林环境条件下,步甲活跃期更长,群落结构相似度更高。该结果为步甲群落时间动态研究奠定了一定的理论基础,为大兴安岭地区地下生物多样性的保护和管理策略制定提供了一定的理论和数据依据。     

井冈山自然保护区栲属群落物种多样性的研究

以井冈山栲属群落 1 5个样地调查资料为基础 ,研究了井冈山栲属群落的物种多样性特征。结果表明 :栲属群落物种多样性指数较高 ,各样地间多样性指数测值变幅不大 ;测度栲属群落物种多样性时 ,各种多样性指数基本表现出相同的趋势 ;总体来看 ,栲属群落物种多样性在群落不同层次的变化规律为 :灌木层 >乔木层 >草本层 ;各层次变化幅度从大到小的顺序为 :草本层 >乔木层 >灌木层 ;群落物种多样性没有表现出一个明显的随海拔高度的变化规律 ,这表明了井冈山栲属群落物种多样性的一致性 ;井冈山栲属群落物种多样性比中亚热带东部和福建龙栖山常绿阔叶林的物种样性指数高 ,这与井冈山的环境条件优越 ,群落保护较好 ,并可能与井冈山处于由南亚热带至中亚热带的过渡地带这一特殊的地理位置有关 ;人为因子的干扰对栲属群落的物种多样性有较大的影响。     

系统发育多样性测度及其在生物多样性保护中的应用

生物多样性保护面临两个基本问题：如何确定生物多样性测度以及如何保护生物多样性。传统的生物多样性测度是以物种概念为基础的,用生态学和地理学方法确定各种生物多样性指数。其测度依赖于样方面积的大小,并且所有的物种在分类上同等对待。系统发育多样性测度基于系统发育和遗传学的理论和方法,能确定某一物种对类群多样性的贡献大小。该方法比较复杂,只有在类群的系统发育或遗传资料比较齐全时方能应用。本文认为,物种生存力途径和系统发育多样性测度相结合有助于确定物种和生态系统保护的优先秩序。     

植物边缘种群遗传多样性研究进展

边缘种群指地理分布边缘可检测到的一定数量的同种个体集合,准确评价其遗传多样性对于理解第四纪冰期后气候变化对物种边缘扩展或收缩、遗传资源保护与利用以及物种形成等有重要意义。该文探讨了维持植物边缘种群遗传多样性的进化机制,分析交配系统对物种边缘及其遗传多样性的影响,比较了边缘与中心种群遗传多样性的差异及其形成的生态与进化过程,并探讨了边缘种群遗传多样性与其所在的群落物种多样性的关系及理论基础。该文提出今后研究的重点是应用全基因组序列或转录组基因序列研究前缘-后缘种群之间或边缘-中心种群之间的适应性差异,边缘种群与所在群落其他物种之间相互作用的分子机制,深入解析边缘种群对环境的适应及边缘种群遗传多样性与群落物种多样性关系的生态与进化过程。     

植物边缘种群遗传多样性研究进展

边缘种群指地理分布边缘可检测到的一定数量的同种个体集合, 准确评价其遗传多样性对于理解第四纪冰期后气候变化对物种边缘扩展或收缩、遗传资源保护与利用以及物种形成等有重要意义。该文探讨了维持植物边缘种群遗传多样性的进化机制, 分析交配系统对物种边缘及其遗传多样性的影响, 比较了边缘与中心种群遗传多样性的差异及其形成的生态与进化过程, 并探讨了边缘种群遗传多样性与其所在的群落物种多样性的关系及理论基础。该文提出今后研究的重点是应用全基因组序列或转录组基因序列研究前缘-后缘种群之间或边缘-中心种群之间的适应性差异, 边缘种群与所在群落其他物种之间相互作用的分子机制, 深入解析边缘种群对环境的适应及边缘种群遗传多样性与群落物种多样性关系的生态与进化过程。