利用植物DNA条形码构建亚热带森林群落系统发育关系——以鼎湖山样地为例

在群落水平上重建植物系统发育关系是当前植物系统学研究的一项重要内容;DNA条形码技术的出现为这一工作的开展提供了便利。本文选取国际通用的植物DNA条形码（rbcL,matK和psbA trnH）,对鼎湖山大样地的183个物种（隶属于24目51科110属）进行测序;分别利用两位点和三位点DNA条形码组合构建该样地植物群落的系统发育关系,并比较不同位点组合构建出的群落系统发育关系的拓扑结构和节点支持率;最后选出一个具有最好拓扑结构和最高节点支持率的鼎湖山大样地群落系统发育关系。在目、科和属这三个水平上,三位点条形码片段组合构建的群落系统发育关系与APG系统获得较好匹配;有些进化分支在相应的APG系统位置解决得不好,却在条形码序列构建的系统发育关系中得到了较好解决。表明综合使用不同进化速率的DNA条形码片段并采取三位点超级矩阵的组合策略,在未采用APG系统大框架的情况下,也能快速而又相对准确地构建出鼎湖山南亚热带森林植物群落的系统发育关系。     

亚热带森林乔木树种DNA条形码研究——以哀牢山自然保护区为例

作为新一代植物志iFlora的重要组成部分,DNA条形码已经成为物种鉴定中重要且有效的方法。本研究以亚热带森林的乔木树种为研究对象,开展了DNA条形码的尝试性工作。为评估DNA条形码对鉴定亚热带森林树种的有效性,收集并研究了来自哀牢山自然保护区内5l科111属中204个树种的525个乔木个体。结果显示,所选4个DNA片段（rbcL,matK,trnH-psbA和ITS）的PCR扩增成功率都超过90％;测序成功率rbcL和matK最高,分别为90．7％和90．5％,trnH-psbA次之（83．6％）,ITS最低（73．5％）,表明4个片段在亚热带森林乔木中都具有较好的通用性。应用BLAST与NJ Tree两种方法,对物种和属水平的鉴别成功率进行统计,发现单片段中ITS最高,分别为68．4％-81．3％和99．0％～100％,核心条码rkL和matK组合的成功率是52．8％～60．2％和86．7％～90．5％,再与补充条码trnH-psbA和ITS联合,可以成功鉴别74．7％～79．6％哀牢山自然保护区亚热带森林中的乔木物种。由于ITS片段在亚热带森林部分重要树种类群（樟科和壳斗科等）中的测序成功率较差,所以对这些植物类群采用trnH-psbA作为DNA条形码是一个更好的选择。     

利用DNA条形码技术识别植物物种

DNA条形码技术能够快速、准确地识别物种,对于开展基础性的分类学研究和应用性的生物多样性研究极为重要.本文对鼎湖山20 hm²大样地183个植物物种进行DNA条形码测序.结果表明： 单个条形码片段时, psbA-trnH的综合成功率最高(75%),其次是matK(70%)和rbcL(56%);片段组合时,matK+rbcL+psbA-trnH三片段组合的物种水平识别率在87%以上,随后是matK+psbA-trnH(85%)、rbcL+psbA-trnH(83%)和matK+rbcL(81%).综合了亚热带波多黎各的LFDP样地(143个种)和热带巴拿马的BCI样地(296个种)以及圭亚那的Nouragues样地(254个种)3个森林类型的研究结果,评价DNA条形码各片段在4个森林样地的通用性.在热带和亚热带地区的森林样地中,各片段测序成功率分别为rbcL(93%,95.1%)、psbA-trnH(91.5%,94.6%)和matK(68.5%,79.7%).在植物类群水平上,核心条形码片段matK+rbcL组合的物种准确识别率不高,只在局部群落中表现较为理想;而三位点DNA条形码片段组合在热带和亚热带森林样地中综合成功率可达84%和90%.     

植物DNA条形码促进系统发育群落生态学发展

系统发育群落生态学是近年兴起的一个重要牛态学研究分支,它以群落生态学为基础并引入了系统发育的分析方法,全面动态地反映了群落中物种内和物种间的相互作用关系,揭示了群落格局形成的生态学过程,研究了生物多样性的形成及维持机制.巴拿马BCI(Barro Colorado Island)样地的成功例子说明,在固定样地进行长期的群落生态与系统发育研究切实可行且极具意义;DNA条形码的快速兴起对这一研究发挥着重要作用.本文先列举了群落生态与系统发育综合分析能解决的群落系统发育结构、群落生态位结构、生物地理学和性状进化等生态学问题;接着介绍了标准植物DNA条形码以及利用片段组合(rbcL+matK+trnH-psbA)进行快速物种识别和近缘种区分、精确群落系统发育关系的构建以及群落生态学研究;随后提出DNA条形码研究在类群水平上需注意两片段的条形码组合(matK+rbcL)在同属种鉴别能力上的不足,而在较大尺度群落水平上需对实验设计进行优化.DNA条形码将为探讨物种多样性及其维持机理、系统发育beta多样性以及群落水平上功能性状进化研究提供新的思路.     

沿海拔梯度变化的哀牢山亚热带森林群落系统发育结构

为揭示森林群落系统发育结构在海拔梯度上的变化及其驱动因素, 本研究以云南哀牢山西坡的亚热带森林群落为研究对象, 以APG III系统为基础框架, 结合DNA条形码序列信息解决末端分类单元亲缘关系的方法, 构建了哀牢山森林群落系统发育进化树, 采用净亲缘指数(net relatedness index, NRI)和最近亲缘指数(nearest taxon index, NTI), 探讨了不同植被类型的森林群落系统发育结构和沿海拔梯度的变化规律。结果表明, 从整体的海拔变化趋势上来看, 哀牢山森林群落系统发育结构随海拔上升由系统发育聚集(phylogenetic clustering)走向发散(phylogenetic overdispersion)或聚集程度降低。在低海拔地区, 群落表现为系统发育聚集, 表明生态位理论中的生境过滤作用在群落构建和生物多样性的维持中起着主导作用; 在中海拔地区, 出现了聚集与发散两种群落系统发育结构并存的现象, 推测可能是生境过滤和竞争排斥两种生态过程共同作用的结果; 在高海拔地区, 群落的系统发育结构因选择的指数不同而出现相反的结果, NRI表现出系统发育聚集, 而NTI却表现为随机或发散, 考虑到高海拔地区的环境胁迫可能促使植物发生趋同进化, 推测其群落构建的生态学过程需要更为综合的研究。本研究揭示群落系统发育结构沿海拔梯度确实存在显著的变化, 证明在生态群落的构建过程中非随机过程起到促进乃至关键作用。     

臭氧污染对亚热带森林生产力和生物量的影响——以鼎湖山为例

全球气候变化背景下,我国近地面臭氧浓度不断增加,已严重威胁到森林生态系统。但是,目前臭氧污染影响我国亚热带森林生物量的研究仍然具有较高的不确定性。本研究比较了不同模型和不同参数化方案评估的鼎湖山森林和林下草地生物量损失率的差别,比较了鼎湖山阔叶林和针叶林以及林下草地的生物量损失率与总初级生产力(GPP)损失率的一致性。2015—2016年臭氧污染造成的鼎湖山阔叶林生物量损失率为11.3%—11.69%,针叶林生物量损失率为3.97%—3.68%,草地生物量损失11.2%—14.6%;不同参数化方案估计的鼎湖山阔叶林的生物量损失率在9%—13%之间,针叶林的生物量损失率在3.68%—4.4%之间变化,草地在11.2%—14.6%之间。基于臭氧剂量响应关系模型估算的阔叶林GPP损失率为10%—12.6%,针叶林GPP损失率为1.81%—2.6%,草地GPP损失率为3.2%—3.3%。总的来看,鼎湖山阔叶林和针叶林的生物量和GPP损失具有较高的一致性,阔叶林生物量和GPP的损失率明显高于针叶林生物量和GPP的损失率。     

利用宏DNA条形码研究浮游动物多样性——以鸭绿江口为例

为评价宏DNA条形码技术在我国海洋生物多样性监测中的应用潜力,采集了22份鸭绿江口浮游动物样品,分别利用宏条形码分子鉴定和形态鉴定方法对优势类群桡足类进行多样性的比较研究。结果显示:(1)利用宏条形码分子鉴定方法共鉴定出4目23科32属229个操作分类单元(Operational Taxonomic Units, OTUs),形态方法共鉴定出3目5科5属6种;同时,利用形态鉴定得到的分类阶元多数(目:100%、科:80%、属:80%)能用宏条形码分子鉴定方法鉴定出来,而宏条形码分子鉴定方法鉴定得到的分类阶元多数(目:25%、科:83%、属:88%)却未能用形态鉴定出来,表明宏条形码分子鉴定方法在鉴定物种丰富度方面具有明显优势。(2)利用宏条形码分子鉴定与形态鉴定桡足类的多样性指数呈显著的一致性(r=0.524,P=0.024),表明宏条形码鉴定方法与形态方法在评价物种多样性方面具有较好的可比性。本研究表明宏条形码分子鉴定方法在我国海洋浮游动物业务化监测中具有较高的应用潜力。     

DNA条形码在淡水红藻中的应用评价——基于串珠藻科植物

研究采用4种DNA序列, 分析了各片段序列特征以及在串珠藻科植物中种属水平的鉴定能力, 包括线粒体COI-5P、cox2-3 spacer序列, 以及叶绿体rbcL、UPA序列。结果表明, COI-5P、cox2-3 spacer、UPA以及rbcL序列的PCR扩增成功率分别为96%、100%、96%和98%。其中, COI-5P、cox2-3 spacer和UPA的片段大小符合标准DNA条形码的判定标准, 即片段大小在300—800 bp, 能够通过单对引物双向测序获得。系统发育分析的结果显示, 这4种DNA片段在串珠藻属植物的鉴定中能够鉴定大部分的种类, 但COI-5P、cox2-3 spacer以及rbcL序列均不能将两种中国特有种洪洞串珠藻B. hongdongense和长柄串珠藻B. longipedicellatum与弧形串珠藻B. arcuatum分开。在种水平的鉴定中, UPA基因的种间差异最大, 显示了较好的分离效果, 在串珠藻科植物的鉴定中可以作为一个标准的DNA条形码。     

基于进化树、距离和特征的DNA条形码方法研究——以百花山地区草螟科为例

DNA条形码是一种快捷高效的分子鉴定新技术,近年来在动物分类学领域中得到迅速的发展和应用。在条形码的研究中有基于进化树、距离和特征3种常用的分析方法:第1种方法需要构建系统发育树,分析样本在树上的聚类情况;第2种方法依赖于物种种内和种间的序列差异;第3种则是通过一系列的诊断特征位点来鉴定物种。本研究扩增了北京百花山地区14种草螟科昆虫88个样本的线粒体细胞色素C氧化酶亚基Ⅰ(mitochondrial cytochrome c oxidase subunitⅠ,COⅠ)基因片段,分别基于进化树、距离和特征方法进行了分析,以探讨不同DNA条形码方法在草螟科物种鉴定中的可行性。结果表明:在使用邻接法(neighbor-joining,NJ)构建的系统发育树上,14个草螟物种各自聚成一个单系,均被成功区分。基于Kimura双参数模型计算遗传距离得出,种内和种内有一个明显的"barcoding gap",且ABGD软件对样本的划分完全符合形态鉴定结果。在所有的草螟物种中都找到了诊断核苷酸位点,基于特征来鉴定草螟物种的成功率为100%。结果显示,这3种方法对于本研究中所涉及的草螟都具有较好的区分,基于COⅠ基因的DNA条形码可以作为一种有效的工具在草螟科昆虫的物种鉴定中进行应用。     

大型经济真菌的DNA条形码研究——以我国剧毒鹅膏为例

鹅膏属（Amanita）部分物种为重要食用真菌,而另外部分物种则是剧毒的,在我国及其他许多国家,每年都有因误食剧毒鹅膏而导致中毒甚至死亡的事件发生。DNA条形码是用一段或几段短的DNA序列来对物种进行快速、准确鉴定的方法。本研究选取三个候选片段,即核糖体大亚基（nLSU）、内转录间隔区（ITS）和翻译延长因子1-α（tef1-α）,使用真核生物通用引物,测试我国已知的7种剧毒鹅膏及2种易混的可食鹅膏,并将欧美分布的但与黄盖鹅膏（A.subjunquillea）亲缘关系密切的绿盖鹅膏（A.phalloides）纳入分析中。nLSU的PCR扩增和测序成功率均为100%,但种内和种间遗传变异偶有重叠。ITS的PCR扩增和测序成功率分别达到100%和85.7%,且具有高的种间变异和低的种内变异。tef1-α的PCR扩增和测序成功率分别达到85.7%和100%,种间和种内遗传分化均高于ITS和nLSU。三个片段的物种分辨率均较高,但与nLSU相比,ITS和tef1-α具有更为明显的barcode gap。鉴于ITS可能会成为真菌界的通用条码,故建议将ITS作为鹅膏属的核心条形码,tef1 α和nLSU作为该属的辅助条形码。     

广东优势群落甜槠林多样性研究

采用每木调查法,对广东粤北石门台和粤中象头山地区甜槠( Castanopsis eyrie (Champ.) Tutch.)林样方内胸径≥ 1 cm的乔、灌木进行测量,记录其种名、胸径、高度和在样方中的坐标位置等指标,对群落的植物组成、区系成分、优势种及物种多样性进行分析。结果显示:石门台样地有维管植物112种,隶属36科54属;象头山样地有维管植物109种,隶属36科59属。两个群落均具有明显的热带向亚热带过渡的性质。其中,石门台样地与华东、华中地区联系紧密;象头山样地则与中国台湾、日本的岛屿联系更多。比较两个地区的群落特征发现,他们的相似性较高,物种多样性指数接近,纬度并不是决定群落植物多样性高低的因素,小环境、群落演替进程及人为因素对群落植物多样性的影响更大。     

鹤山亚热带丘陵人工林群落分析

本文研究鹤山亚热带丘陵5个有代表性的人工林群落。通过研究这5个人工林群落的林地生物量、生长量、林内各层次的种类结构、生物量的垂直空间分布结构、叶面积的垂直分布结构和群落的组成结构以及群落的发展动态,揭示这5个人工林的群落学特征。并进一步进行5个群落的生态学比较和评价。研究结果表明,马占相思、大叶相思等豆科纯林具有在贫瘠丘陵地上快生速长的特征,是良好的先锋林。马尾松、湿地松等种类也具有抗贫瘠的特性,但生长不如豆科纯林。利用豆科与乡土树种的混交,生长速度快,发展趋势良好,是目前丘陵山地绿化较为可行的途径。     

广东优势群落甜槠林多样性研究

采用每木调查法,对广东粤北石门台和粤中象头山地区甜槠（Castanopsis eyrie（Champ.） Tutch.）林样方内胸径≥ 1 cm的乔、灌木进行测量,记录其种名、胸径、高度和在样方中的坐标位置等指标,对群落的植物组成、区系成分、优势种及物种多样性进行分析。结果显示：石门台样地有维管植物112种,隶属36科54属;象头山样地有维管植物109种,隶属36科59属。两个群落均具有明显的热带向亚热带过渡的性质。其中,石门台样地与华东、华中地区联系紧密;象头山样地则与中国台湾、日本的岛屿联系更多。比较两个地区的群落特征发现,他们的相似性较高,物种多样性指数接近,纬度并不是决定群落植物多样性高低的因素,小环境、群落演替进程及人为因素对群落植物多样性的影响更大。     

DNA分析与基因组序列和植物系统学研究

从DNA杂交、RFLP分析、DNA的限制酶图谱分析等方面描述DNA分析技术在植物学研究中的应用,讨论了DNA分析技术与植物系统学的关系及分子数据的分析方法。并以高等植物为对象,从核DNA、叶绿体DNA和线粒体DNA三方面对植物分子系统学进行了论述。     

四川缙云山森林群落林窗边缘效应的研究

 本文运用Shannon—Wiener物种多样性指数、Simpson生态优势度指标以及边缘效应强度指数,对缙云山亚热带森林群落林窗的边缘效应现象进行了初步研究。29个林窗样地不同部位上述指标的测定表明用物种多样性指数拟合边缘效应测度通式,缙云山亚热带森林群落林窗的边缘效应强度值为1—3左右;而用生态优势度值拟合边缘效应强度测式,则上述边缘效应强度值为0.1一1.2左右。研究表明林窗边缘区由于边缘效应的作用有增大物种多样性的趋势。而林窗面积、所处坡向以及林窗所在的森林群落类型,都对处于不同发育阶段的林窗的边缘效应强度具有影响。在此基础上,本文对林窗边缘效应强度的变化规律、效应性质、测定意义以及对森林营造和优化管理上的作用进行了一定探讨。