牡丹复合体的研究

牡丹复合体属芍药属(Paconia)牡丹组(Sect. Moutan)．原有6个种名，包括花壬 牡丹、名贵野生花卉紫斑牡丹，著名中药牡丹皮原植物，野生种类为我国特有，仅分 布在以秦岭为中心的较小区域．本研究从山西、陕西、河南、湖北、甘肃共采集14 个居群（包括复合体不同类型）．通过野外居群调查、样方研究，移栽实验，以及细 胞学观察、孢粉学观察分析、种子蛋白和DNA水平多样性的探索性的工作，并结合 聚类分析方法，对牡丹复合体进行了分类学和保护生物学两方面的研究，主要结论 为： 1．本复合体为多年生木本植物，生长缓慢，在天然状况下，从种子播种到开花结实长达7年．枝条通常具隔年开花习性．严格单花顶生，花期短(5-10天)．雄蕊先熟，以异花传粉为主（主要传粉者有甲虫和野蜂）．自交亲和，甲虫在传粉过程中常常破坏心皮和胚珠．胚珠败育比例很高，紫斑牡丹50%．其它类群达90%． 2．种子生物学特性研究，发现本复合体种子属正统种子，但种子衰变快．种子萌发时间长，一般的化学及物理处理对种子萌发无明显促进作用，种子具上胚轴休眠特性．打破休眠需要两个条件：一是胚根长足3 cm．二是10℃左右的低温或GA3处理，野生紫斑牡丹种子较大，复合体其它野生类群种子较小．野生牡丹的种子活力相当低，萌发时间更长． 3．样方的调查统计表明，稷山和永济两地区的矮牡丹株数一龄级分布规律是2—5年生个体最多，随年龄级的增加，个体数目减少．居群呈增长趋势．紫斑牡丹株数一龄级分布规律是青壮年时期个体数目多，幼年时间和老年时期个体数目少，居群呈衰退的趋势，这与其本身繁殖方式和人为破坏程度相关． 4．对13个居群花粉扫描电镜观察表明，本复合体紫斑牡丹(P. rockii)为粗网纹，网眼大，其它类群为细网纹、网眼小． 5．通过18个居群的核型分析并结合前人工作，发现本复合体染色体数目稳定2n =10．核型差别不大，野生类群和栽培品种间有一定分化，但总体上核型多样性比较贫乏．通过8个居群C带研究，发现带纹很少，但多样性很丰富．8个居群表现出7种带型． 6．种子蛋白和DNA水平多样性的初步研究，发现复合体具有较丰富的多样性．但多样性的分布对类群的划分帮助不大，有待进一步研究． 7．通过形态性状分析发现产自各地区矮牡丹、河南粉花类型、神农架红花类型具根出条现象，并以此为主要繁殖方式，紫斑牡丹无此现象．神农架红花类型植株矮小，复合体其它类群较高．产自各地区的矮牡丹和神农架红花类型为二回三出复叶．小叶数目多为9．矮牡丹顶生小叶具浅裂、中裂或深裂，裂片具齿，神农架红花类型顶生小叶仅具浅裂或齿（全缘）．河南粉花类型为二回羽状复叶．小叶数目12-15．紫斑类型叶为二回或三回羽状复叶、小叶数目15-40．小叶分裂方式分两种类型，秦岭西部居群以浅裂、全缘为主，东部居群以中裂或深裂为主，裂片具齿．神农架红花类型花为平展型、较小，其它地区花杯状、较大．花盘有二种类型．紫斑类群花盘黄色或白色．1／2-4／5包被心皮，心皮被稀疏长柔毛，其它类群花盘紫红色，全包心皮，心皮密被短硬毛．根据形态性状分析．并结合细胞学、孢粉学和地理分布研究，对复合体做如下处理：(l)把神农架红花类型做为新种处理P．quii Y.L．Pei et Hong．(2)保留P.rockii(S.G.Haw et L.A. Lanener)T.Hong ct J.J.Li和P.ostii T.Hong et J．X. Zhang．前者进一步分成二亚种：subsp. rockii和subsp. lanceolata Y.L．Pei et Hong（新亚种）．后者包括河南粉花类型，中药丹皮原植物．(3)保留P．suffruticosa Andr.种内分二亚种：subsp. suffruticosa和subsp. spontanea (Rehd．)S．G. Haw et L．A, Lauener. (4)废弃P.papaveracea Andr.和P.jishanensis T.Hong et W.Z.Zhao (5)P．yanancnsis T．Hong et M.R．Li作为存疑种处理． 8．通过上述研究对野生牡丹濒危原因加以分析，认为致濒原因主要是人为干扰和种子萌发和传粉特点等生物学特性造成，但以前者为主，建议应广泛开展各个层次多样性研究，为生物多样性保护利用奠定基础。

新生代孢粉分析与古气候定量重建的研究

定量重建地球生态系统的气候参数是当前国际古气候研究的目标之一. 自20世纪70年代以来, 尤其是在海洋学研究领域, 新技术的不断应用使得定量的古气候研究蓬勃发展. 相比之下陆地古气候参数的重建要困难得多, 陆地植物作为对环境的良好记录，一直备受重视. 近数十年来, 国际上广泛开展了利用植物材料定量研究气候的探索, 大量新的方法层出不穷. 德国科学家Mosbrugger和Utescher在1997年倡导的共存分析法(The Coexistence Approach)就是其中之一, 它依据现存最近亲缘类群原理以及植物分布与气候的关系原理, 找到化石植物群中各类群的现存最近亲缘类群对各气候参数的耐受范围; 并将各亲缘类群对同一气候参数的耐受范围叠加一起, 获得对该气候参数的共存区间, 用该区间作为对古气候参数的精确估测. 本文首先阐述在原文位于展开讨论的共存分析的理论基础——探讨植物分布与气候之间关系的耐受性理论. 并以此为指导, 对在该方法中气候台站的选用方法作了改进, 气象台站的选择应以植物的标本记录点为基础: 即使在某一特定的植物分布区内部也应该查看气象台站所在县级行政区域是否有该植物的标本采集信息, 并以此为依据来决定是否选用该气象台站的记录; 选用的气象台站的数量多寡应该以植物分布点的多少来决定. 以此为基础, 我们采用中国的植物分布与气象记录数据, 利用孢粉学的研究结果，定量重建了我国新生代三个地点的古气候参数, 结果如下: 1.内蒙古呼伦湖地区全新世初期气候 MAT: 4.4~10.2℃; MWMT: 22.9~24.1℃; MCMT: -18~-9.1℃; DT: 33.5~40.9℃; MAP: 354.3~686.7mm; MMaP: 103.8~191.9mm; MMiP: 2.7~7.3mm. 我们以扎赉诺尔地区的孢粉学研究为基础, 依据孢粉和盘星藻(Pediastrum Meyen)提供的环境信息并结合前人工作, 恢复了全新世初升温期的植被变化; 定量重建了10.4~10.2kaB.P.时的气候, 为全面理解呼伦湖地区的气候变化以及东亚的夏季风变化提供新的依据. 2.云南洱源上新世气候 MAT: 13.3~18.6℃; MWMT: 24.6~27.5℃; MCMT: 1.9~12.1℃; DT: 14.2~16.6℃; MAP: 619.9~1484.3mm; MMaP: 143.8~245.6mm; MMiP: 12.7~16.4mm. 该结果与羊邑、龙陵上新世古气候及三地的现代气候分析对比表明, 在上新世, 三地年均温符合纬向变化, 而降水量则基本一致. 在现代，洱源与羊邑在气候与植被上很相近, 且与上新世相差不大; 而龙陵地区则发生了显著的变化, 年均温比上新世低, 而降水量则大幅增加. 该变化指示了上新世以来作为青藏高原东部边缘的龙陵地区可能出现了地形的抬升. 3.吉林珲春始新世和中新世气候 始新世: MAT: 14.3~14.9℃; MWMT: 25~26.3℃; MCMT: 1.9~3.7℃; DT: 21.7~23℃; MAP: 797.5~1344mm; MMaP: 185.3~209.8mm; MMiP: 14.2~16.4mm. 中新世: MAT: 14.3~14.9℃; MWMT: 24.3~25.4℃; MCMT: 2.1~3.7℃; DT: 21.7~22.7℃; MAP: 658.7~817.7mm; MMaP: 158.9~174.6mm; MMiP: 7.4~7.6mm. 通过对两个时段的气候参数对比, 始新世时, 吉林珲春地区的气候属于北亚热带气候; 中新世时气候发生了改变, 归属于暖温带南部的气候, 改变了前人关于中新世也归属于被亚热带的认识, 这反映了我国东北部地区与全球新生代降温总趋势具有一定的同步性.

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。

利用DSC和EPR技术研究杜仲种子的贮藏条件

种子贮藏稳定性对于种质资源的长期保存具有重要意义，目前关于种子贮藏的最新理论为玻璃态理论，该理论认为种子的玻璃化有利于种子的长期贮藏。当种子处于玻璃态时，玻璃化物质的高度粘滞性降低了种子细胞内分子流动性，阻止了细胞质中分子的扩散，从而减少老化过程中细胞结构的损伤和化学组分的变化，延缓种子老化劣变反应速率，延长贮藏寿命。评价玻璃态的一个重要指标是玻璃化转变温度，当种子贮藏于玻璃化温度或以下10℃～30℃范围内时，种子具有最佳的贮藏稳定性。因此，检测种子的玻璃化转变温度对于种子的长期有效贮藏具有重要指导意义。 本研究将差示量热扫描技术（DSC）与电子顺磁共振波谱仪技术（EPR）应用于杜仲种子玻璃化转变温度方面的研究。在DSC方法中，选用4.4%～31.6%含水量范围的杜仲种胚分别进行了DSC图谱扫描。EPR方法选用3-羧基-2,2,5,5-四甲基吡咯烷-1-氧（3-carboxy-2,2,5,5-tetramethylpyrrolidine-1-oxyl，CP）和2,2,6,6-四甲基哌啶（4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy，TEMPO）作为探针标记杜仲种胚， 利用EPR技术测定不同含水量杜仲种胚的分子运动，通过对EPR图谱参数的分析计算，最终确定不同含水量杜仲种胚的玻璃化转变温度。 DSC实验结果显示，含水量为22.3%、28.0%、31.6%的杜仲种胚在0℃ 左右出现了一个水的熔融峰。该熔融峰的面积代表了自由水含量的多少，随着种胚含水量的降低该熔融峰面积减小。4.4%～31.6%含水量范围的杜仲种胚在-28℃左右还出现了一个熔融峰，推测此峰为杜仲种胚中某类物质熔融所形成的熔融峰。然而在此曲线上我们未观察到标志玻璃化转变的“台阶”出现。 CP-EPR实验的结果表明，利用EPR测定得到含水量为4.4%～11.6%的杜仲种胚在-110℃～20℃温度范围内，同一含水量的杜仲种胚随着温度的升高，分子运动速率加快;在同一温度条件下，高含水量的种胚比低含水量种胚的分子运动速率快。通过CP-EPR波谱两外缘峰最大距离（2Azz）的测定和数据统计分析，得到含水量为4.4%、5.7%、8.6%、10.3%、11.6%杜仲种胚的玻璃化转变温度分别约为44℃、25℃、4℃、-31℃、-43℃。可以把测定的杜仲种胚的这几个含水量的玻璃化转变温度与杜仲种子贮藏相结合，用于指导杜仲种子的贮藏。 TEMPO-EPR实验测定分析得到含水量为2.1%、3.4%、4.8%、8.3%、11.2% 的杜仲种胚的玻璃化转变温度分别为-21℃、-18℃、-24℃、-20℃、-27℃，玻璃化转变温度随含水量升高其变化的规律不明显，这与CP-EPR实验测得的结果有着较明显的差别。通过分析，认为对于脂质含量较高的杜仲种胚，随着含水量的降低，作为标记化合物的TEMPO随着脱水进入脂相，从而不能真实反映出不同含水量种胚的分子运动情况。与TEMPO标记相比，CP标记可能能够更真实地反映不同含水量杜仲种胚细胞质分子运动的情况，根据其分子运动情况得到的玻璃化转变温度更准确。