中麻黄(Ephedra intermedia)胚胎发育及双受精作用在进化上的意义

本文对中麻黄(Ephedra intermedia)的双受精作用进行了较为详细的研究。其主要结果如下： 1．中麻黄约5月中旬传粉，5月下旬受精。中央细胞分裂形成卵核及腹沟核。卵核沿合点端方向移至卵细胞质富含细胞器区，被富含细胞器的细胞质所包围。卵核的受精发生在浓厚卵细胞质区内。精子向卵核靠近，穿过浓厚细胞质区，与卵核建立联系，二核逐渐靠拢。卵核核膜出现凹陷，并逐渐包围精子，最后完成受精。刚受精后的精核卵核的核质并不立即融合，各自保持独立。之后不久，二核完成融合，形成合子。 2．腹沟核刚形成后， 并不退化而是继续发育，并象卵核一样沿合点端方向从其顶端位置向卵细胞基部移动至卵细胞质富含细胞器区。第二个精子向腹沟核移动，靠近，并建立联系，最后完成融合，形成第二个合子。 3．双受精是中麻黄的正常生殖特征。中麻黄的双受精及第二次受精产物的命运具有重要的进化上的意义。 4．两个合子连续二次分裂形成八个游离核，或者叫次生合子。八个游离核进一步发育并细胞化形成具胚性功能的单细胞原胚．或者次生合子进一步分裂增殖形成多余游离核后再进一步发育并细胞化形成具胚性功能的单细原胚或在胚的发育中解体退化，以提供营养．一个胚珠可观察到一至七个发育时期不同的胚成熟胚珠中只有一个成熟胚，双子叶。 5．由游离核发育而来的单细胞原胚在进一步的发育中沿合点端方向向配子体内上移并形成单细胞球形胚。单细胞球形胚分裂形成二细胞胚，即胚原始细胞及胚柄细胞。胚原始细胞先进行一次平周分裂而后进行一次垂周分裂形成四细胞胚。之后胚体进一步分裂发育形成多细胞球形胚。发育至一定时期后，胚柄细胞及次生胚柄分裂、膨大、伸长形成胚柄，胚柄细胞逐渐增多、增长、弯曲疏松，成熟的胚中胚柄系统消失。胚体发育至圆柱状后，中央一层弧行排列的细胞形成根冠原始细胞，之后这些根冠原始细胞不断分裂、发育分化形成成熟胚的各种组织包括胚皮层、髓、原形成层及根冠等等。

中国麻黄属植物的分类——兼论麻黄属的演化

根据中国麻黄属植物分类及麻黄属起源和演化研究中存在的争论，本论文主要进行了分类学、形态学、微形态学、解剖学、形态发生学、孢粉学、古植物学、植物生态学和植物地理学等方面的研究。 1、分类学 从性状变异式样的分析入手，结合标本馆工作和野外调查，确认了中国麻黄属植物共有13个种;合并了丽江麻黄(Ephedra likiangensis)、雌雄麻黄(E. fedtschenkoae);澄清了前人在细子麻黄(E. regeliana)、灰麻黄(E. glauca)、草麻黄(E. sinica)和双穗麻黄(E. distachya)等种类鉴定中混乱的问题，并描述了一个新种——日土麻黄（Ephedra rituensis Y. Yang, D. Z. Fu et G. Zhu）。 2、形态学 提供了中国麻黄属种类的标本（包括模式标本）照片资料及中国麻黄属植物的雌球花和雄球花的照片资料，为麻黄属分类和系统学研究提供了证据。 3、微形态学 首次报道了中国麻黄属植物的种子表面微形态特征，聚合囊表面纹饰、小枝表面特征。 种子表面特征可分为4种类型。类型I：种子表面平滑，包括：中麻黄(Ephedra intermedia)、双穗麻黄、细子麻黄等;类型II：种子表面具疣状突起，仅发现木贼麻黄(E. equisetina)一种;类型III：种子表面具横向片层状突起，仅有斑子麻黄(E. rhytidosperma)一种;类型IV：种子表面具纵条纹，包括喜马拉雅特有的3个大种子的种类，即矮麻黄(E. minuta)、山岭麻黄(E. gerardiana)和藏麻黄(E. saxatilis)。 对小枝表面扫描电镜下的微形态构造的研究并没有发现前人报道的毛状体特征，而只有一些疣状角质突起和有变异的气孔，同时注意到，麻黄属植物的小枝表面特征受到生境、发育阶段的影响。 麻黄属聚合囊顶孔开口处具脑波状纹饰，而聚合囊表面纹饰具二级纹饰。麻黄属聚合囊表面纹饰非常独特，为该属在地层中雄性生殖构造的发现提供了可参考的性状。 4、孢粉学 补充了麻黄属中非常特化的种——斑子麻黄的孢粉资料，同时也对膜果麻黄(Ephedra przewalskii)、中麻黄、细子麻黄和木贼麻黄的孢粉重新进行了研究。结果表明斑子麻黄的花粉形态也非常特殊，其纵肋数目5条左右，纵肋波状扭曲，肋间沟槽内透明线发达且分枝。膜果麻黄的花粉与前人描述的一致，但是，中麻黄、细子麻黄和木贼麻黄的花粉形态可能受到发育的影响而与前人报道中描述的有些差异。讨论了麻黄属4种花粉类型的演化趋势。 5、形态发生学 对麻黄属雌球花三种代表类型的个体发育研究表明，三胚珠球花发育早期球花主轴的顶芽发育，双胚珠球花的顶芽没有发育，而在单胚珠球花中，雌性生殖单位直接占据顶芽的位置发育。这三种类型也代表了麻黄属球花演化的三个阶段，三胚珠球花代表麻黄属雌球花的原始式样，而单胚珠雌球花则为麻黄属雌球花最为特化的式样。总之，麻黄属雌球花有简化的趋势，伴随着这种趋势，雌球花苞片数目减少、种子数目减少、种子体积增大、表面复杂度增加。 6、解剖学 对斑子麻黄种子表面微构造的形态发生及解剖研究表明，斑子麻黄雌性生殖单位发育早期，其表面为平滑型，因此，突起为次生的。这些突起是由雌性生殖单位外盖被表皮细胞的外壁向外突出形成，这种突出生长常常在相邻细胞之间同时发生，因此，出现片层状构造。石蜡切片显示，这些突起在发育早期有完整的细胞核、细胞质等结构，但在种子发育晚期和成熟后，这些外壁突起的细胞成为空腔隙，本文对这种构造的生态学意义进行了分析。 7、古植物学 本文描述了早白垩麻黄科的2个大化石种。 古斑子麻黄（Ephedra archaeorhytidosperma Y. Yang, B. Y. Geng et D. L. Dilcher et Z. D. Chen）发现于辽西义县组尖山沟层，时代为早白垩的芭雷姆期。该种的雌球花具2对苞片、1或2枚种子、珠孔管短直或顶部稍弯、种子表面具横列片层状纹饰等特征而与现存的斑子麻黄特征最为相近。二者之间如此多的相似之处只有一种解释，那就是它们曾经有过共同祖先。因此，该种应归属于麻黄属的肉苞组。古斑子麻黄雌球花特征的稳定性同时也表明，在麻黄属中也存在所谓的“形态演化停滞现象（morphological stasis）”，而这种现象也是首次在买麻藤类植物中报道。 星学异麻黄（Alloephedra xingxueii J. R. Tao et Y. Yang）产于吉林大拉子组，时代属早白垩的阿普特期——阿尔布期。该种雌球花具2对苞片、2枚种子，种子长椭圆形且具短的珠孔管与现存麻黄科植物最为相近，但是，其分枝式样与麻黄属不同，因此，本文在麻黄科中建立了一新属新种。此外，麻黄科植物常被看作是干旱区植被的代表，但是，对星学异麻黄当时所处的环境研究发现，大拉子组当时具有较明显的亚热带气候条件下的植被性质，因此，星学异麻黄即使需要干旱的条件，可能也只是局部小生境的条件。 8、生态学和植物地理学 本文首次对麻黄属植物生存环境中的水热条件进行了调查。从所选择的8个分布点来看，除了拉萨外，在麻黄属生殖生长期，其余7个分布点的湿度均是一年中最底的时期，而温度在这个时期逐渐升高。 对各地区内麻黄属种类的分布情况的分析发现，麻黄属的种类主要集中在三个地区，一是我国西北、前苏联的中亚地区及邻近地区，二是美国西南部、墨西哥西北部的地区，三是南美的智利、阿根廷等地。

华北早二叠世鳞木类大孢子囊-孢子叶复合体—无被果孢属(Achlamydocarpon Schumacker-Lambry)的研究

本论文系统回顾了无被果孢属的研究历史，讨论了无被果孢属的鉴定特征及种的划分依据，总结了无被果孢属已有种的特征及分布。在此基础上对山西太原西山煤田太原组7号煤层煤核及河北平泉杨树岭煤矿太原组火山凝灰岩中的无被果孢属进行了详细的解剖学研究，把它们与无被果孢属已有种进行了详细的对比后，共鉴定出二个新种和二个未定种。这二个新种的主要特征如下： 过渡无被果孢（新种）Achlamydocarpon intermedia sp. nov. 大孢子囊大约长6.0－10.0 mm，宽4.6 mm，高1.4mm，背腹扁状，具顶脊，两侧角明显, 近轴端开口。孢子囊壁复杂，分化为三层：最外层为单层柱状细胞层;中层1－2层细胞厚，细胞具深色内含物，壁薄;内层1－3层细胞厚，细胞壁强烈加厚。柱状层朝近轴端方向厚度加大。大孢子叶柄背脊不甚发育，具明显侧翼，侧翼的末端膨大并下垂使得柄的横切面略呈 “M”形。侧翼的宽度由近轴端向远轴端随孢子囊宽度的增加而增加，整体宽度大致保持为孢子囊的宽度的1/2左右。侧翼的近轴面具对称的厚壁组织区域。木质部束在近轴端为近等径状，向远轴端则变为略呈水平伸长状。通气组织发达，独立空腔结构贯穿孢子叶柄的整个长度。败育大孢子似乎具肿块结构。 本新种产于山西太原西山煤田太原组7号煤层煤核中。 2、平泉无被果孢（新种） Achlamydocarpon pingquanensis sp. nov 大孢子囊10.0－15.0 mm长，8.1 mm宽，3.0 mm 高。背腹扁，不具顶脊，两侧角明显，远轴端开口。壁复杂，分化为5层：最外层为薄壁细胞层，厚1-3层细胞;次外层为次生壁强烈增厚的细胞层，厚2-数层细胞;中层为具深色内含物的薄壁细胞层，厚2-数层细胞;次内层为与次外层相似的厚壁细胞层;内层为厚度达数个细胞的薄壁细胞层。孢子叶柄侧翼发育，宽度大于孢子囊宽度。背脊或龙骨很不显著。远轴面有时呈强烈的起伏不平状。大孢子囊底部与孢子囊柄连结部分由厚壁的细胞构成。不育组织垫结构较显著。功能大孢子扁缩，在近轴端发育较好，上表面具一突起结构。败育大孢子瘪缩，结构复杂，具明显肿块结构（？），瘤状肿块结构与败育孢子表面相连部分呈棒状。孢子叶柄近轴面不具有明显的厚壁组织区域;维管束由木质部束、维管束鞘及其所围成的空腔组成，但在远轴端仅剩下木质部束;通气组织发达，在维管束下方形成一独立空腔。 本新种分别产于山西太原西山煤田太原组7号煤层煤核和河北平泉杨树岭煤矿太原组火山凝灰岩中。 过渡无被果孢（新种）的特征介于欧美植物区的变异无被果孢类型和塔赫他间无被果孢类型之间。平泉无被果孢（新种）则与变异无被果孢类型较相近，但二者的大孢子囊壁的最外层完全不同：前者的是柱状细胞层，而后者的则由近等径的类似薄壁组织的细胞构成。二个未定种中，无被果孢（未定种 1）与过渡无被果孢（新种）很相似，区别在于前者的大孢子囊壁缺乏最外层的柱状细胞层以及孢子叶柄具明显的背脊或龙骨。无被果孢（未定种 2）则与塔赫他间无被果孢类型较接近。 根据华夏植物区和欧美植物区的化石材料和文献，探讨了保存不完整的大孢子囊-孢子叶复合体的远轴端和近轴端的判断方法：孢子囊较宽较高、孢子叶柄较为粗大、侧翼较发育、维管束较大、通气腔较发育的一端往往为远轴端，反之则为近轴端。 还讨论了无被果孢属一些构造的演化趋势： 1、孢子囊壁由简单向复杂或高度分化; 2、通气组织由不发达到高度特异化; 3、叶迹从微弱到显著，从简单到复杂; 4、败育大孢子从饱满到瘪缩，从表面平整到高度曲折，结构复杂化 5、大孢子四分体结合紧密度呈下降趋势

麻黄属的化石记录及早期多样性

买麻藤纲的系统演化位置数百年来一直是国际植物学界争论的焦点问题。有人认为，买麻藤纲是被子植物的姐妹群，但另有人认为该纲与裸子植物的关系更为密切。尽管存在争议，但是麻黄属（麻黄科）一直被公认为买麻藤纲的基部类群。由于其在植物界中的特殊位置，解剖学、形态和分类学、分子系统学与古植物学等多种学科已经对该属开展了多角度的研究工作。在对买麻藤纲系统发育和演化位置进行研究时，我们意识到麻黄属的历史记录问题不仅是对麻黄属进行其他研究中必须首先解决的关键问题，而且已成为当务之急。而要令人满意的地解决麻黄属的历史记录，必须弄清以下核心问题：①麻黄属的起源时间是什么? ②麻黄属的化石记录怎样? ③早期麻黄植物的多样性怎样? 我们在全世界搜集了麻黄属的全部化石文献，这给我们对该属历史记录进行研究提供了扎实的基础;我们在辽西热河生物群尖山沟组早白垩世地层采集到了保存完好的麻黄化石，这为我们对其历史记录的研究提供了新的材料。 在对该属进行深入的研究后，结合对在中国辽宁省西部尖山沟组早白垩世地层采集到的保存完好的麻黄化石的研究，得出结论如下： (1)麻黄科下原有的似麻黄属和异麻黄属的属征以及模式种的形态特征与麻黄属非常接近。似麻黄属与麻黄属的区别在于二者的时代不同，异麻黄属和麻黄属的差异在于异麻黄属的分枝式样兼具对生和互生。在综合对比后，将似麻黄属和异麻黄属归并入麻黄属中。 (2)根据繁殖器官的特征，对麻黄属下的化石记录进行了整理，结果发现，目前可以确认的麻黄属化石种共有7个，分别是Ephedra chenii (Cao et Wu) Liu, Li et Wang comb. nov., E. antiqua (Heer) Liu, Li et Wang comb. nov., E. xingxuei (Tao et Yang) Liu, Li et Wang comb. nov., E. lanceolata Liu, Ferguson, Li et Wang sp. nov., E. divisa Liu, Ferguson, Li et Wang sp. nov., E. ovata Liu, Ferguson, Li et Wang sp. nov., 以及E. tenera Liu, Li et Wang sp. nov.。其余的种由于性状不明确或缺乏繁殖部分的特征而被暂时搁置一边。 (3)在1.25亿年前，麻黄属在种子单位中苞片的形态、叶片的形态和大小以及叶脉式样等四个方面已经表现出了丰富的多样性。1.25亿年前，麻黄属叶片的最长可达35毫米，最宽可达45毫米，比现代植物的大（最长可达35毫米，最宽可达2毫米）;叶片的叶脉式样中在同时具有现在植物的平行脉和汇聚脉之外，还有分叉脉出现。种子单位中苞片的形态主要为鳞片状和披针形，这比现代植物窄;叶片的形态主要有四种类型（卵形、裂叶、披针形以及鳞片状），比现代植物中的两种类型（披针形和鳞片状）复杂。将1.25亿年前多样的麻黄属与现代麻黄植物对比，表明在过去的1.25亿年期间，麻黄属的演化过程为：性状的消失和物种的灭绝。 (4)对于麻黄属的起源时间，对现代麻黄植物叶绿体rbcL基因序列的分析得出的时间为8-32 百万年，而近期基于rbcL、rps4 以及ITS序列和麻黄属化石种子以及麻黄粉的分析，得出麻黄属的起源时间为1.1亿年。我们发现的保存完好的化石标本给出的可靠的直接证据表明，麻黄属植物早在1.25亿年前已经出现，而且当时已经表现出了丰富的多样性，说明麻黄属的起源时间可能会更早。

芍药属芍药组的变异与进化：形态、染色体和分子证据

芍药属Paeonia是芍药科Paeoniacea内唯一的一个属。包括大约35个种，间断性的分布于北温带地区。其内三个组分别是牡丹组(sect. Moutan)、北美芍药组(sect. Onaepia)和芍药组(sect. Paeonia)。芍药组是芍药属中最大，也是唯一具有染色体倍性变化的一个组，现有大约25个种。其中，大约半数的种是四倍体（2n＝20），主要分布于地中海地区。虽然有证据表明四倍体类群大多为异源起源，但芍药属内一致的核型、相似的形态和重叠的地理分布使得它们的起源和分类一直存在很大的争议。本研究利用了4个细胞核DNA片段（乙醇脱氢酶基因－Adh1和 Adh2;nrDNA的内转录间隔区－ITS;甘油－3磷酸乙酰转移酶基因－GPAT）和4个叶绿体DNA片段（matK基因;基因间隔区trnL-trnF、psbA-trnH和rps16－trnQ）对芍药组的网状进化进行部分重建。并在此基础上，对推测为杂交起源的P. anomala进行了形态学和细胞发生的研究。主要研究结果如下： 1． 芍药组的系统学 利用多个DNA分子标记(cpDNA: matK, rps16-trnQ; nrDNA: ITS, Adh1, Adh2)，芍药组的二倍体和四倍体类群的系统发育被部分重建。基于最大简约法、贝叶斯法和最大似然法的系统发育分析表明： (a) 除P. tenuifolia之外，所有地中海地区分布的二倍体类群构成一个单系分支。该支与亚洲分布的二倍体类群以及P. tenuifolia成并系关系。 (b) 核和叶绿体DNA系统发育树的不一致，以及ITS、Adh基因的多态性的分析，表明部分二倍体类群间和四倍体类群间都存在杂交事件。这些类群包括：中国新疆阿勒泰地区分布的二倍体种P. anomala和P. intermedia（杂种个体XJ053）;高加索地区分布的二倍体种P. tenuifolia和P. daurica（杂种个体H9933）;土耳其分布的四倍体种P. mascula和P. kesrouanensis（杂交个体在两个居群中检测到）。 (c) 不一致的核和叶绿体DNA系统发育树，以及Adh基因表现出的相同多态性模式进一步支持早先的推测，即四倍体类群P. arietina是异源四倍体。同时扩大的数据分析显示P. obovata近缘类群为其母系亲本，P. tenuifolia近缘类群为其父系亲本。此外，形态上具有一定分化的两个亚种P. arietina ssp. arietina和P. arietina ssp. parnassica是多次起源。 (d) 现今地中海分布类群的近缘种参与了四倍体种P. kesrouanensis 和P. coriacea，以及P. wittmanniana和P. mascula的物种形成。依据Adh序列种内的多态性，初步推测P. kesrouanensis 和P. coriacea可能是异源四倍体，其另一个亲本与P. arietina母系亲本近源。而P. wittmanniana和P. mascula可能是同源四倍体。 (e) P. saueri和P. peregrina的两个亲本类群分别与P. tenuifolia和现今地中海分布二倍体种的近缘类群。 (f) Adh1基因序列中近缘的重组类型暗示：四倍体种P. macrophylla和P. banatica很可能是同倍性杂种。 2． P. anomala的杂交起源和细胞发生 P. anomala新疆阿勒泰地区分布的居群核型第一次被报道。该地区分布的类群核型为2A型(核型公式：2n = 2x = 10 = 6m+2sm+2st)。减数分裂的观察统计显示：阿勒泰地区所有检测个体都是臂内倒位杂合子。基于断片大小以及不同个体染色体桥和/或断片出现率的差异，我们发现该类群臂内倒位存在多态性。荧光原位杂交（FISH）证实P. anomala共有8个18S rDNA位点，并且定位了一个倒位片段在3号染色体的短臂上。此外，高频率的棒状二价体和单价体，以及低的同源染色体的配对系数说明该类群同源染色体间存在分化。染色体结构杂合能够导致部分花粉败育，所有被检测个体的花粉败育率约为8.8 – 29.4%。 扩大的居群取样以及多基因(cpDNA: matK, psbA-trnH, rps16-trnQ, trnL-trnF; nrDNA: ITS, Adh1, Adh2, Gpat)的系统发育分析，进一步支持P. anomala杂交起源于P. veitchii 和P. lactiflora的近缘类群。cpDNA片段和核DNA片段（ITS、GPAT）基因树间的不一致，以及P. anomala Adh1和Adh2序列表现出的多态性都支持该类群杂交起源的推测。不过，表型分析显示P. anomala在形态上偏向于P. veitchii。 3． P. obovata Maxim.四倍体类群的起源 与原先基于形态性状的认识不同，P. obovata 四倍体类群并不是一个严格意义上的同源四倍体。它起源于二倍体P. obovata中国和日本分布的两个地理亚种之间的杂交。Adh2基因仅在中国分布二倍体居群的扩增失败支持这一推测。此外，Adh基因系统发育分析显示：间断性分布于中国中部和中国东北部的四倍体类群是独立起源。

芍药属两物种染色体结构变异杂合性研究

芍药属由大约35个灌木和多年生草本种组成，分为三个组：牡丹组(Sect. Moutan)、北美芍药组(Sect. Onaepia)和芍药组(Sect. Paeonia)。四川牡丹(Paeonia decomposita Handel-Mazzetti)和块根芍药(P. intermedia Meyer)分别隶属于牡丹组和芍药组。在该属的所有种中，染色体基数均为 x = 5，最短的五号染色体是端部着丝粒染色体，很容易辨认。 本论文研究了块根芍药三个居群22个个体和四川牡丹两个居群13个个体的减数分裂。减数分裂异常广泛发生，以至于发现所有被研究的个体都有数量不等的桥、断片和单价体。结果表明在中期I，块根芍药第一个居群平均每个小孢子母细胞有2.17个棒状二价体和2.7个环形二价体，第二个居群平均每个细胞有2.04个棒状二价体和2.86个环形二价体，第三个居群平均每个细胞有2.21个棒状二价体和2.71个环形二价体。而在四川牡丹中，第一个居群平均每个小孢子母细胞有2.09个棒状二价体和2.81个环形二价体，第二个居群平均每个细胞有1.85个棒状二价体和3.08个环形二价体。 块根芍药第一个居群的平均减数分裂染色体构型是2n = 10 = 0.25 I + 4.87 II，第二个居群是2n = 10 = 0.20 I + 4.90 II，第三个居群是2n = 10 = 0.17 I + 4.92 II，在该种的平均构型是2n = 10 = 0.21 I + 4.89 II。四川牡丹第一个居群的平均减数分裂染色体构型是2n = 10 = 0.21 I + 4.90 II，第二个居群是2n = 10 = 0.14 I + 4.93 II，在该种的平均构型是2n = 10 = 0.20 I + 4.90 II。在块根芍药中，不同个体的配对系数变化范围在69.5%和81.07%之间，在四川牡丹中在72.97%和81.37%之间。 在后期I和末期I，出现了染色体桥、断片、落后染色体、不等分离等异常现象。最明显的减数分裂异常是后期I桥/断片。尽管在不同的居群中桥/断片异常出现的频率有所变化(块根芍药居群一是26.03%，居群二是11.67%，居群三是13.39%;四川牡丹居群一是7.59%，居群二是9%)，但是这种异常出现在所有个体中(块根芍药平均为18.67%，四川牡丹平均为7.69%)。结果表明，所有的个体都是染色体臂内倒位结构杂合体，广泛存在于野生自然居群中，可能存在某些选择优势。而且，桥的出现频率和断片的大小在个体之间是变化的，这因此表明在这两个种中存在不同的倒位。然而，这两个种在野生居群中是如何维持染色体结构杂合的，其维持机制还有待于进一步阐明，还需要更进一步的证据。 该研究还揭示了块根芍药和四川牡丹这两个种具有共同的第五号染色体减数分裂异常：与长臂相比，短臂在遗传距离和物理距离之间存在巨大的背离。短臂的遗传距离，通过交叉频率计算出来，约是长臂的三十分之一（块根芍药）。然而，物理距离用臂的比率表示，大约是长臂的三分之一，物理距离是遗传距离的十倍。 在四川牡丹红心桥居群和其它居群之间，臂比存在微小的差异，而且在芍药属不同的种内也发现了存在差异。在四川牡丹中，环形二价体(两个臂形成交叉)和棒状二价体(仅一个臂形成交叉)的比率是1.94 : 98.06，而在块根芍药中是3.42 : 96.58。在这两个种中，棒状二价体大大多于环形二价体。在第五号染色体的短臂上可能存在某些“搭车效应”，这表明第五号染色体的短臂上存在高度永久杂合，导致短臂高度保守、极为稳定。这与芍药属古老的分布格局、进化历史长可能存在某些联系。四川牡丹第五号染色体的后期I倒位桥出现频率非常低，仅为0.51 - 3.47%，平均为1.43%。而且断片长度是变化的，其变化范围在1.7 - 10.8 µm之间。

云杉属的分子系统学与生物地理学研究

云杉属植物是非常重要的森林树种，广泛分布于北半球的寒温带、温带高山和亚高山地带。该属为松科中仅次于松属和冷杉属的第三大属，约有 28-56 种。自云杉属建立以来，其属于松科没有任何疑议。然而，由于云杉属物种间频繁杂交、形态趋同和取样困难，尽管已经有基于形态学、细胞学、化学成份、叶绿体 DNA RFLP 等方面的研究，该属的属下分类仍然存在诸多争议。本文利用父系遗传的叶绿体基因和母系遗传的线粒体基因序列重建了云杉属的系统发育关系，探讨了云杉属生物地理格局的形成过程。在此基础上，我们研究了低拷贝核 CAD 基因在云杉属的进化式样。另外，我们还对裸子植物线粒体基因 rps3 的内含子分布和进化进行了初步研究。 1． 云杉属的系统发育和生物地理学研究 我们选择了 Farjon (1990) 确定的 34 个种中的 33 种 (另一个种在 Flora of China 未得到承认)，共 103 个个体，对这些个体的叶绿体 DNA 片段 trnC-trnD 和 trnT-trnF 以及线粒体基因 nad5 的第一个内含子进行了序列测定。在两个叶绿体基因片段联合分析构建的系统发育树上，北美西部的 P. breweriana 和 P. sitchensis 位于最基部。其余的物种分为三支：第一支由北美的两个物种组成;第二支包括分布于喜马拉雅-横断山区及其周围地区的八个种、台湾的 P. morrisonicola、西亚的 P. orientalis、日本的两个种及北美的 P. chihuahuana;第三支中，北美的 P. pungens 位于基部，亚洲东北部的种 (除 P. maximowiczii 和 P. torano 外)、P. retroflexa 和欧洲的 P. abies 构成一个单系群，并与北美的 P. mariana 和 P. rubens 及来自巴尔干半岛的 P. omorika 形成姐妹支。所有样品的 nad5 第一个内含子序列可分为 A、B、C、D 和 E 5 种单倍型，北美的物种拥有前 4 种，而且 A、B 和 C 单倍型为北美所特有;欧亚的物种仅含 D 和 E 两种单倍型。 上述结果结合 MacClade 和 DIVA 分析及化石证据，我们推断云杉属起源于北美，至少两次经白令陆桥扩散至亚洲，然后从亚洲扩散至欧洲。亚洲东北部的绝大多数物种和欧洲云杉 P. abies 的种间遗传变异非常低，而且线粒体单倍型均为 D，可能来源于一次近期的辐射分化。云杉属的现代分布中心之一喜马拉雅-横断山区的物种可能不是一次起源，日本的物种同样如此，这可能与第三纪气候变冷和第四纪冰川导致的物种迁移有关。此外，我们发现目前用于云杉属分类的一些形态性状（如叶扁平、菱形等）在系统发育树上位于不同的位置，说明这些性状可能不是一次起源或是祖征在不同支系中的保留，用于云杉属的系统划分须慎重。 2． 云杉属 CAD 基因的进化研究 裸子植物的多倍体特别少，且以基因组庞大而著称。被子植物中的很多单拷贝基因在裸子植物中以低拷贝或多拷贝基因家族的方式存在。CAD 基因在木质素单体合成的最后一步起作用，在松属中只发现了一种 CAD 基因拷贝，在欧洲云杉中却发现了三种拷贝，而且 Southern 杂交和子代分离鉴定结果表明这三种拷贝至少位于两个位点上。然而，对云杉属三个物种 (包括欧洲云杉) 构建的遗传图谱却都只发现了一个 CAD 基因位点。由于云杉属 CAD 基因的数目和分布存在很大争议，我们根据构建的叶绿体基因树，选择了不同支上的 20 个物种、29 个样品研究该基因的进化式样。结果表明：云杉属不同物种中 CAD 基因的拷贝数为 1-4 种，多数为 2-3 种。系统发育分析发现有些物种的所有 CAD 基因拷贝聚成一支，另有一些物种的 CAD 基因拷贝位于不同位置。此外，我们对 GenBank 中云杉属三个物种 CAD 基因的 EST 序列分析后发现：EST 序列的差异主要发生在 3’-UTR 区，表现为序列长短的不同，这有可能是进行体外反转录时引物结合于不同的位置所致。因此，结合前人研究（包括遗传图谱分析），我们推测 CAD 基因在云杉属内发生了多次重复，重复拷贝很可能呈串联排列。 3. 裸子植物线粒体基因 rps3 的进化研究 线粒体基因内含子的获得/丢失已经被广泛应用于系统发育研究。rps3 为分布最广的线粒体核糖体蛋白基因，一般含一个内含子，前人研究显示其在裸子植物中多了一个第二类内含子 rps3i2，并将这个内含子作为区分裸子植物和其它植物类群的标志之一。然而，该研究只选择了苏铁和银杏作为裸子植物的代表，取样代表性不足。在本研究中，我们对裸子植物每个科至少选择一个物种作为代表，通过 DNA 序列和部分物种的 RT-PCR 分析，探讨 rps3 基因在裸子植物中的进化。结果表明 rps3 基因内含子的分布与裸子植物系统发育关系相吻合：Conifer II、松科的落叶松属和黄杉属及百岁兰科不仅不含 rps3i2，而且丢失了第一个内含子;金钱松属缺失第二个内含子。我们推断在 Conifer II 的祖先和百岁兰科中分别一次性丢失了两个内含子;在松科中则发生了两次单独的丢失事件，一次是在落叶松属和黄杉属的祖先中丢失了两个内含子，一次是在金钱松属中丢失了第二个内含子。另外，在 Ephedra 中没有扩增出 rps3 基因，Gnetum 中具有第二个内含子，倪藤科的 rps3i2 似乎支持松科与倪藤纲的关系更近。对 rps3i2 的进一步分析发现，其序列结构与松科的系统发育关系非常吻合。根据上述结果和 mRNA 编辑位点分析，我们认为 Conifer II等类群中的两个rps3内含子丢失可能是反转录酶介导的 cDNA 反转录造成的。Psuedolarix 的内含子丢失也可能为相同机制，但因缺乏材料而未能进一步研究。