中国三种野生稻的遗传变异与保护生物学研究

稻属(OryzaL．)隶属禾本科(Poaceae)之稻族(OryzeaeDUmort.)，广布于全球热带与亚热带地区。目前认为该属约含20个野生种和2个栽培种，中国产4个种。亚洲栽培稻(O. sativaL．)是世界上最重要的粮食作物之一，而在中国则为第一粮食作物。在稻种基因库中，发掘野生稻中丰富的遗传多样性是解决当今人口与粮食矛盾的必由之路。因此，保护野生稻的遗传多样性举世瞩目。针对热带与亚热带地区的环境恶化而导致野生稻居群的大量绝灭与急剧萎缩的状况，制订有效的策略，最大限度地保护野生稻的遗传多样性已迫在眉睫。然而，目前对野生稻种内遗传多样性的知识十分贫乏，缺乏制订保护策略的科学基础。这一问题在中国尤为突出。本文基于1994-1995年对中国三种野生稻濒危状况的调查结果，利用等位酶分析对普通野生稻26个居群，药用野生稻8个居群和疣粒野生稻l7个居群进行了遗传多样性的研究，并重点对目前育种价值最大而濒危程度最高的普通野生稻从五个方面作了进一步的探讨。最后根据遗传多样性的研究结果讨论了它们的濒危原因，并提出了初步的保护策略。主要结果如下： 一．普通野生稻D．rufipogon Griff. 在中国的三种野生稻中，普通野生稻的遗传多样性水平最高(A=1.33，P= 0.227，Ho=0.033和He=_0.068)，遗传分化水平较低(Fst=0,310)。广西与广东的居群较其它地区的居群具有较丰富的遗传变异。因此，华南可能是中国普通野生稻的遗传多样性中心;云南现存的所有三个居群的遗传多样性水平偏低(A=1.10.p=0.148，Ho=0.007和He=0.079)，与该地区栽培稻丰富的遗传多样性形成鲜明对照，普通野生稻居群间的遗传一致度与地理距离无明显相关。 1．通过14个中央居群与5个边缘居群的对比研究表明了边缘居群的遗传结构明显不同于中央居群：其遗传多样性水平与遗传分化均低予中央居群，杂合子比中央居群更为不足。而且，从中央居群到边缘居群，位点的多态性逐渐丧失，遗传多样性水平递减，一些多态位点的等位基因频率逐渐地发生变化。 2. 通过7个受栽培稻基因渗入的居群与5个隔离较好居群的对比研究表明，被渗入居群虽然在形态上表现出复杂的变异式样，但遗传多样性水平并无相应的增高。栽培稻基因流对野生居群遗传结构的影响可能主要是遗传同化，即阻止其居群内与居群间的遗传分化。 3. 通过对2个低纬度居群与2个北缘居群两个生活史阶段的遗传多样性研究表明繁育系统是影响普通野生稻居群遗传结构的因素之一。在低纬度居群中种子阶段的遗传变异高于植株阶段，在高纬度居群中则相反。 4．通过对北缘居群(江西东乡)1980年，1985年和1994年的居群遗传结构的研究，发现该居群的遗传结构逐渐在发生变化，表现为遗传多样性水平不断下降，居群越来越偏移哈迪一温伯格平衡和杂合子变得越来越缺乏。 5．通过对一个典型的普通野生稻居群（元江居群）的居群内遗传结构的研究，表明遗传变异在3个亚居群间分布不均衡，基因型里聚集分布，使得亚居群间有一定的遗传分化。导致其居群遗传结构的亚划分的主要原因可能是有限的基因流(Nm=0.964<l)而非小生境的选择。 二. 药用野生稻O.officinalis Wall.ex Watt. 药用野生稻的遗传多样性水平在三种野生稻中居中(A=1.2，P=0.162，H0=0.044和He=0.056)。海南的居群具有较高的遗传多样性，故海南可能为中国药用野生稻的遗传多样性中心。该物种有较高水平的遗传分化(Pst=0788，I=0.775)，且剧烈的遗传分化主要发生在海南与大陆间，有多达12个等位基因固定在两个地区的居群中：遗传分化也发生予地区内的居群间。 三. 疣粒野生稻0.meyeriana Baill.subsp.granulata Nees et Arn.ex Watt. 疣粒野生稻的遗传多样性水平(A=1.Ot5，p—0.0633，Ho- 0.022和He=O.O16)在三种野生稻中最低，但居群遗传分化却很高(FsT=0.859)。海南的遗传多样性水平与云南差别不大。剧烈的遗传分化不仅发生在海南与云南之间，而且还发生在地区内，甚至在很小地区内的居群阍。对每个地区来说，居群间的遗传一致度与地理距离明显相关，符合“隔离一距离”模型。该物种是克隆植物，遗传变异贫乏但居群遗传分化剧烈是这类植物的特征。 四. 对保护中国野生稻遗传资源的启示 中国的三种野生稻是居群水平上而非物种水平上的的濒危。人类的剧烈干拢和生境遭受破塥是导致它们濒危的主要原因。对普通野生稻和药用野生稻来说，人为的干扰导致了它们现存的居群变小且相互隔离，居群间的基因流受阻，遗传漂变的作用在小群体中显得尤为突出，并与严重的近交相交织，导致遗传多样性大量丧失，居群的遗传结构也进一步改变，从而产生真正遗传学上的濒危，甚至灭绝。对于普通野生稻的大多数居群来说，栽培稻频繁的基因流带来的遗传同化，也会直接或间接地引起濒危甚至消亡。 鉴于普通野生稻有69.0%的遗传多样性存在于居群内，收集种质资源时应在遗传变异丰富的居群中，特别在其遗传多样性中心的居群中取较多数量的个体，还应在不同的地理区域选择2～3个遗传变异丰富、彼此遗传差异大的居群作为代表，捕获存在于居群间的遗传变异。原位保护点的设置应优先考虑以下类型的居群：a．与栽培稻基因流隔离好的居群;b．边缘居群;c．严重受威胁的居群;原位保护区应在其遗传多样性中心设立，选择有数个相邻的较大居群。 鉴于药用野生稻有21.2%的遗传多样性存在于居群内，在收集种质资源时原则上应选择较多的居群，而在每个居群中取较少的个体。海南与大陆居群间的遗传差异较大，故两地的居群都必须收集;药用野生稻的居群通常较小，建议设立原位保护点即可。海南与大陆均须设立保护点，而且在每个地区内应保护尽可能多的居群。对地区间或地区内的居群间进行人工移植，促进基因流，对增强各居群的适应能力会有裨益。 鉴于仅有14.1%的遗传变异存在予疣粒野生稻的居群内，取样的原则是在云南和海南均取尽可能多的居群，而对每个居群取少数个体即可;该种的居群有时较大，其居群内往往有一定的遗传分化，故收集遗传资源时应按亚居群取样;建议在云南与海南各设置2～3个原位保护区，其中可优先考虑我国分布面积最大的云南思茅地区的居群。