生活史性狀和取樣策略對植物微衛(wèi)星遺傳多樣性參數(shù)估算的影響

杜夏瑾　黎嘯峰　吳敏　王麗

摘 要 對150種野生種子植物基于微衛(wèi)星分子標(biāo)記的遺傳參數(shù)進行統(tǒng)計，旨在分析植物的生活史性狀和取樣策略對各遺傳參數(shù)的影響.結(jié)果表明，微衛(wèi)星標(biāo)記數(shù)與種群遺傳分化系數(shù)（FST和RST）呈顯著正相關(guān)，與多樣性指數(shù)（HO和HE）呈顯著負相關(guān)；取樣距離加大顯著提高種群間分化指數(shù)FST和RST；種群間分化指數(shù)與多樣性指數(shù)呈顯著負相關(guān)；異交繁殖、長壽多年生的植物總體上保持著更高的種群內(nèi)遺傳多樣性，而自交繁殖的一年生植物具有更高的種群間遺傳分化水平；在種群水平上，裸子植物的遺傳多樣性比被子植物高.

關(guān)鍵詞 微衛(wèi)星標(biāo)記；簡單重復(fù)序列；遺傳多樣性；生活史特征；取樣策略

中圖分類號 Q944.4 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1000-2537（2015）04-0021-08

Abstract A statistical and comparative analysis of plant genetic diversity parameters was conducted using data from 150 microsatellite-based reports. The results revealed a significant positive correlation between the number of SSR markers and estimates of among-population genetic diversity， but a significant negative association between the former and the estimates of within-population diversity. In addition， an increase in the geographical distances between the sampled populations effectively increases the FST- and RST-values in SSR studies. Estimates for between- and within-population diversity proved to be negatively correlated. The SSR-based analysis showed that outcrossing and long-lived perennial taxa retain most of their genetic variability within populations. By contrast， inbreeding and annual taxa allocate most of the genetic variability among populations. Furthermore， compared with either categories of angiosperm （i.e. monocotyledon and dicotyledon）， gymnosperms harbor higher genetic diversity.

Key words microsatellite markers； simple sequence repeat （SSR）； genetic diversity； life history traits； sampling strategy

遺傳變異是物種長期存在和進化的物質(zhì)基礎(chǔ).因此，遺傳多樣性的度量和描述是種群和進化遺傳學(xué)研究、生物多樣性保護和管理中的中心問題.Hamrick， Godt， Nybom， Bartish， Nybom和Duminil等[1-4]的研究表明，植物遺傳多樣性水平及其遺傳結(jié)構(gòu)與物種本身的繁育系統(tǒng)、種子傳播方式和分布范圍等生活史性狀關(guān)系密切.合理的取樣策略在遺傳多樣性研究、生物多樣性保護和利用中具有重要的意義.取樣理論近幾十年來被廣泛研究[5-8]，隨著更多的遺傳標(biāo)記的出現(xiàn)，該理論需要不斷更新，因為不同的遺傳標(biāo)記和方法所得出的結(jié)果有差異，如何在物種保護中合理取樣和有效地分析遺傳數(shù)據(jù)也有待完善.

微衛(wèi)星（microsatellites）亦稱簡單重復(fù)序列（simples sequence repeats， SSRs），由于其共顯性、重復(fù)性好及高變異性等優(yōu)點，已在植物群體遺傳學(xué)研究、品種鑒定、連鎖圖譜構(gòu)建、系統(tǒng)發(fā)育和分子標(biāo)記輔助育種等方面得到了廣泛的應(yīng)用.近二十年來，大量群體遺傳學(xué)研究借助于微衛(wèi)星分子標(biāo)記技術(shù)展開，但其種群遺傳變異的分析主要是估測一系列有代表性的參數(shù)，如觀測雜合度（Observed heterozygosity，HO），期望雜合度（Expected heterozygosity，HE），NA（Observed number of alleles，觀測等位基因數(shù)），NE（Effective number of alleles，有效等位基因數(shù)），F(xiàn)IS（Breeding coefficient，近交系數(shù)）和FST（Genetic differentiation index，遺傳分化指數(shù)）等.

為了探討植物生活史性狀和取樣策略對微衛(wèi)星遺傳參數(shù)估算的影響，本文對139篇1999—2012年所報道的150種野生種子植物基于微衛(wèi)星分子標(biāo)記的遺傳多樣性參數(shù)進行了統(tǒng)計分析，以期為種子植物遺傳多樣性的相關(guān)研究提供有價值的參考.

1 材料與方法

通過Web of science和Google scholar 檢索關(guān)于種子植物遺傳多樣性的文獻，整理近十年發(fā)表在國外知名期刊上有關(guān)SSR標(biāo)記的野生種群遺傳多樣性的研究，得到各項取樣策略參數(shù)和遺傳多樣性參數(shù)，主要有取樣種群數(shù)、取樣個體數(shù)、最大取樣距離、SSR標(biāo)記數(shù)、觀測雜合度（HO）、期望雜合度（HE）、觀測等位基因數(shù)（NA）和遺傳分化系數(shù)（FST與RST）.由于檢測方法（銀染和測序）對多態(tài)性高低有直接的影響，因此檢測方法也作為一種因素用于分析.

數(shù)據(jù)整理原則：（1）限于種子植物，即裸子植物、雙子葉植物和單子葉植物，不統(tǒng)計蕨類、藻類及真菌等；（2）限于野生植物種群，不統(tǒng)計栽培品種；（3）限于研究的野生種群數(shù)大于或等于2的文獻.另外，如果一篇文獻中對兩種或兩種以上的植物進行了研究，分析不同的植物時作為獨立的文獻進行統(tǒng)計.

本文將植物生活史特性分為5個方面：分類地位、繁育系統(tǒng)、生活型、分布范圍和種子傳播.分類地位包括裸子植物、雙子葉植物和單子葉植物.繁育系統(tǒng)包括自交、混交和異交.生活型包括一年生植物、短壽多年生植物（多年生草本植物）和長壽多年生植物（多年生喬灌木和藤本植物）.分布范圍包括特有種、窄域種、地方種和廣布種.種子傳播包括重力傳播、附著傳播、吞食傳播和風(fēng)/水傳播.

利用SPSS 19.0（IBM Company， 2010）計算各項參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，對各取樣策略參數(shù)之間、遺傳多樣性參數(shù)之間以及取樣策略與遺傳多樣性參數(shù)之間進行了Pearson相關(guān)分析，為了進一步探討取樣策略參數(shù)和遺傳參數(shù)之間的關(guān)系以及不同生活史性狀內(nèi)（主要是繁育系統(tǒng)和分類地位）二者之間的關(guān)系，作者以4個取樣策略參數(shù)作為自變量，4個遺傳多樣性參數(shù)作為因變量進行了回歸分析.為了進行不同生活史類型植物間遺傳參數(shù)的比較，還將不同生活史變量與4種遺傳參數(shù)分別進行了單因素方差分析（One-way ANOVA）.

2 結(jié)果

作者收集了330篇關(guān)于種子植物遺傳多樣性的文獻，統(tǒng)計得到341種植物的遺傳多樣性參數(shù)值，剔除數(shù)據(jù)不全的文獻和物種，最終用于分析的物種有150種.其中裸子植物24種，雙子葉植物95種，單子葉植物31種；遺傳多樣性參數(shù)個數(shù)不少于3個的有110種.

2.1 參數(shù)統(tǒng)計

2.2 取樣策略對遺傳參數(shù)的影響

把4個取樣策略參數(shù)作為自變量，4個遺傳多樣性參數(shù)作為因變量進行回歸分析（表2），結(jié)果表明，取樣種群數(shù)和取樣個體數(shù)對各遺傳參數(shù)沒有影響，種群間多樣性指數(shù)FST隨著SSR標(biāo)記數(shù)的增加而增加，多樣性指數(shù)HO和HE隨著SSR標(biāo)記數(shù)增加而減少，多樣性指數(shù)HO也會隨著取樣距離的加大而增加，Pearson相關(guān)分析表明取樣距離與種群間多樣性指數(shù)FST和RST均呈正相關(guān)（圖1）.

2.3 檢測方法對遺傳參數(shù)的影響

統(tǒng)計的150種植物中有58種植物采用電泳銀染技術(shù)進行結(jié)果檢測，有89種采用測序技術(shù)，有3種使用瓊脂糖EB檢測方法，由于瓊脂糖檢測技術(shù)用得非常少，在此僅針對前兩種方法展開分析.使用測序檢測方法得出的HO，HE和NA（平均值分別為0.486，0.570，6.68；標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.211，0.199，3985）均高于電泳銀染技術(shù)得出的HO，HE和NA（平均值分別為0431，0.529，5.43；標(biāo)準(zhǔn)差分別為0185，0.182，3734），而使用測序檢測方法得出的FST 和RST（平均值分別為0.201，0.200；標(biāo)準(zhǔn)差分別為0200，0.163）卻低于電泳銀染技術(shù)得出的FST和RST（平均值分別為0.233，0.221；標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.175，0193）.

2.4 不同生活史類型植物間的遺傳參數(shù)比較

上文（2.2）提到遺傳參數(shù)HO，HE和FST會隨著SSR標(biāo)記數(shù)的變化而變化，為了進一步探討各遺傳參數(shù)在不同繁育系統(tǒng)類型和不同分類地位植物中是否會受SSR標(biāo)記數(shù)的影響，作者分別進行了種群間多樣性指數(shù)HO，HE和FST與SSR標(biāo)記數(shù)的回歸分析，結(jié)果表明，在不同繁育系統(tǒng)類型植物中除在異交類群中HO會隨著SSR標(biāo)記數(shù)的增加有一定增加外，其他類群各參數(shù)都不會受SSR標(biāo)記數(shù)的影響，雙子葉植物的遺傳參數(shù)受SSR標(biāo)記數(shù)影響較大，裸子植物和單子葉植物受SSR標(biāo)記數(shù)影響較小（表2）.

3 討論

3.1 取樣策略

SSR標(biāo)記在遺傳多樣性和遺傳分化研究中是一個非常重要的工具，而在SSR相關(guān)研究中取樣策略的制定對SSR研究結(jié)果解釋的可靠性至關(guān)重要[2-3，5].本次研究統(tǒng)計得到的平均取樣種群數(shù)為11，種群的平均取樣個體數(shù)為31.本次研究發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計的150種植物中，平均取樣種群數(shù)小于4的植物僅有16種，每個種群平均取樣個體數(shù)小于10的植物僅有5種，平均取樣個體數(shù)大于50的植物有17種.取樣種群數(shù)和取樣個體數(shù)對本研究選取的4個遺傳多樣性參數(shù)均沒有影響，而SSR標(biāo)記數(shù)與遺傳分化系數(shù)FST呈顯著正相關(guān)，與多樣性指數(shù)HO和HE呈顯著負相關(guān)，這可能是由于單個標(biāo)記的多態(tài)性較低時，研究者們都傾向于探討更多的標(biāo)記從而增加結(jié)果的可靠性.

Nybom和Bartish[2]的研究表明，取樣種群數(shù)、取樣個體數(shù)和RAPD標(biāo)記數(shù)對各遺傳參數(shù)（ΦST，GST，Hpop）沒有明顯影響，但是ΦST、GST值會隨著種群間的取樣距離的增加而增加，Hpop隨著取樣距離的增加而減小，進一步的分析發(fā)現(xiàn)只在異交植物類群中ΦST、GST值會隨著種群間取樣距離的增加而增加，自交植物類群中ΦST，GST與取樣距離之間無顯著相關(guān)關(guān)系.作者的統(tǒng)計結(jié)果表明，遺傳參數(shù)HO會隨著取樣距離的增加減少，HE，F(xiàn)ST和RST與取樣距離之間相關(guān)關(guān)系雖然不顯著，但FST和RST值也是隨取樣距離的增加而增加的.兩種標(biāo)記得出的結(jié)論基本一致.

3.2 遺傳參數(shù)的估測

本次統(tǒng)計的106種同時采用了HO和HE這兩種多樣性指數(shù)的植物中，有91種植物HE>HO，僅有15種植物HE

3.3 不同生活史類型植物間的遺傳多樣性指數(shù)比較

本次研究發(fā)現(xiàn)，繁育系統(tǒng)、生活型和分類地位與種群遺傳參數(shù)具有較大關(guān)聯(lián)，而種子傳播類型和分布范圍對各遺傳參數(shù)影響不顯著.

Hamrick， Godt[1]和Ellstrand， Elam[21]認(rèn)為植物的繁育系統(tǒng)可作為解釋遺傳多樣性水平的主要因素，在自交種群和其他類型種群之間差異顯著.本研究發(fā)現(xiàn)，自交植物在種群水平上的遺傳多樣性水平明顯低于其他類型植物，而遺傳分化程度則相對較高，這與已有的研究結(jié)論一致[1-3，22].

作者還發(fā)現(xiàn)，不同生活型的植物各遺傳多樣性指數(shù)差異極為顯著.一年生植物的多樣性指數(shù)HO和HE值均明顯低于短壽多年生或長壽多年生植物，且長壽多年生植物HO和HE的平均值最大；長壽多年生植物的遺傳分化系數(shù)FST和RST均較低.而在Hamrick， Godt[1]， Nybom， Bartish[2]及Nybom[3]的統(tǒng)計中，長壽多年生植物的H參數(shù)也都比較高，而遺傳分化值比較低.

從本研究的統(tǒng)計結(jié)果看，分類地位與種群多樣性具有一定關(guān)聯(lián).總體上，裸子植物的遺傳多樣性水平高于被子植物，但裸子植物和雙子葉植物的HO和HE值差異不明顯，均明顯地高于單子葉植物.裸子植物種群間遺傳分化值（FST和RST）均相對較低，這與Nybom， Bartish[2]和Hamrick， Godt[1]的統(tǒng)計結(jié)果一致.因此，裸子植物和雙子葉植物較高的種群內(nèi)遺傳多樣性可能與其長壽多年生和異交繁殖等生活史特征有關(guān)[2，23].

Hamrick， Godt[1]和Karron[24]的研究結(jié)果都表明，特有或瀕危種的遺傳變異水平比廣布種低，特別是在種群水平上.但是，也有研究認(rèn)為，地理分布范圍并不是決定物種的遺傳多樣性水平和遺傳結(jié)構(gòu)的重要因素.近年來有不少研究表明，一些特有和瀕危物種卻保持著較高水平的遺傳變異，如太白紅杉Larix potaninii var. chinensis，尾葉桉Eucalyptus urophylla和短葉雪松Cedrus brevifolia等[25-27].本文中，分布范圍對多樣性指數(shù)影響不顯著，這與Nybom， Bartish[2]基于RAPD標(biāo)記的統(tǒng)計結(jié)果基本一致，而與Hamrick和Godt[1]基于等位酶與Nybom[3]基于STMS標(biāo)記的統(tǒng)計結(jié)果不同，Nybom[3]的結(jié)果表明不同分布范圍HO和HE差異較顯著（P<0.05），而FST的差異不顯著，鑒于張德全[22]的研究，HO和HE不適合在不同標(biāo)記之間進行比較，但遺傳分化參數(shù)在不同標(biāo)記中的研究結(jié)果基本一致，即無論是RAPD還是SSR，不同分布范圍對FST的值影響不是很大.即使如此，本文與已有的研究都表明，廣布種一般都表現(xiàn)出較高的遺傳多樣性.因此，作者認(rèn)為，廣布種在通常情況下具有較特有或瀕危種更高的遺傳多樣性，但這不是絕對的；一些人為因素導(dǎo)致的瀕危種，如黃山梅Kirengeshoma palmata，由于其遺傳基礎(chǔ)較豐富，其野生種群數(shù)量和個體數(shù)量可能很少，仍然可能維持著較高的遺傳多樣性[28].

本研究還發(fā)現(xiàn)，不同種子傳播類型的植物統(tǒng)計得到的遺傳參數(shù)之間均沒有顯著性差異，這與Nybom[3]的統(tǒng)計結(jié)果不一致，卻與Nybom和Bartish[2]的統(tǒng)計結(jié)果一致.但Nybom和Bartish[2]在附著傳播和風(fēng)/水傳播的統(tǒng)計植物均只有3種，其統(tǒng)計的隨機誤差可能較大.

綜上所述，鑒于自交植物、一年生植物和單子葉植物的遺傳多樣性指數(shù)水平較低，考慮到SSR標(biāo)記數(shù)與各遺傳參數(shù)有顯著的負相關(guān)關(guān)系，因此建議在進行自交植物、一年生植物和單子葉植物的相關(guān)研究時可選用較少的SSR標(biāo)記，而在異交植物、多年生植物、裸子植物和雙子葉植物的相關(guān)研究中可選用較多的SSR標(biāo)記.

4 結(jié)論

本文探討了基于SSR標(biāo)記的取樣策略和植物生活史特性對遺傳多樣性參數(shù)的影響.統(tǒng)計結(jié)果表明，SSR標(biāo)記數(shù)目與各種群遺傳參數(shù)顯著相關(guān)，研究者增加標(biāo)記的使用數(shù)目，可以有效提高種群遺傳分析中的遺傳分化值；而取樣距離對種群間遺傳多樣性指數(shù)的正相關(guān)影響，已經(jīng)得到許多相關(guān)研究的證明.對不同生活史特性植物遺傳多樣性的統(tǒng)計分析表明，繁育系統(tǒng)、生活型和分類地位與種群遺傳多樣性指數(shù)具有較大關(guān)聯(lián)，自交植物的遺傳多樣性水平明顯低于其他類型植物；一年生植物的遺傳多樣性水平明顯低于短壽多年生或長壽多年生植物，且長壽多年生植物的遺傳多樣性水平最高.傳播類型和分布范圍對各遺傳指數(shù)影響不顯著.考慮到SSR標(biāo)記數(shù)與遺傳參數(shù)（HO，HE）有顯著的負相關(guān)關(guān)系，因此建議在進行異交植物、多年生植物、裸子植物和雙子葉植物的相關(guān)研究中可選用較多的SSR標(biāo)記.此外，檢測方法對遺傳參數(shù)也有一定的影響，使用測序技術(shù)得出的遺傳參數(shù)HO，HE和NA均高于電泳銀染技術(shù).

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（編輯 王 ?。?