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。

疣粒野生稻居群遗传结构及其形成与维持机制的研究

结合野外生态调查与分子标记检测，本文探讨了显性遗传标记应用于居群遗传学研究时实验与数据分析需要注意的问题，并在此基础上对中国分布的疣粒野生稻（Oryza granulata Nees et Am. ex Watt.）居群遗传多样性与居群遗传结构进行了研究。然后从metapopulation结构动态、无性系生长和物种形成等角度研究了遗传结构的空间格局与生态学、系统学因素之间的相互作用，并将研究的空间尺度从聚群内（colony）、居群内、地区内推广到地区间和整个物种水平，反映了在不同空间等级上疣粒野生稻相异的进化模式。最后，综合上述结果，提出了保护疣粒野生稻的原则和策略。结果如下： 1．根据对分布于中国云南和海南33个分布点疣粒野生稻居群所做的野外生态学调查，该物种目前在中国的30个县（市）有分布，比1978-1982年全国野生稻普查时增加了3个县市（海南通什、云南思茅和勐腊）。疣粒野生稻具有较强的耐荫和抗旱能力，在群落总盖度为90-210%范围内生长良好。它是一种典型的适应中度干扰的物种，生长于有一定干扰的斑块状生境中。疣粒野生稻在群落内的分布格局为聚集型，其居群密度较小（1.13-2.95株/m2），依靠重力下落和动物传播种子。由于对热区资源的掠夺性开发，总计有12.9%的居群已因人为干扰而灭绝，83.9%的居群处于严重的危胁之下，处于濒危状态。对疣粒野生稻的破坏在不同地区间程度不同，生境恶化和放牧是造成其居群灭绝的最主要原因，对其进行保护已经迫在眉睫。在调查的基础上，本研究建立了含该物种34个居群共1109份个体样品的总DNA库，作为易位保护的一种措施，主要用于居群遗传学和保护生物学研究。 2．利用上述总DNA库中的材料，首先采用随机扩增多态（RAPD）对几类显性标记的居群遗传结构参数进行了比较。在衡量遗传多样性水平时，多态位点比率（PPB）会低估变异的程度，其价值不如Shannon多样性指数和Nei多样性指数。在计算个体之间的遗传关系时，Mantel检测表明17种相似性系数之间存在极显著的相关性。同时，基于Φst。遗传距离的分子方差分析（AMOVA）和基于Hardy-Weinberg平衡假设的Nei氏遗传距离分析的结果间具有显著的相关性，它们都适用于对疣粒野生稻居群遗传结构进行研究，且在使用后者时应对数据进行Lynch-Milligan矫正，剔除隐性基因型（0）频率小于3/N（N为样本总数）的条带数据，以矫正显性遗传方式对变异估计偏低的影响。此外，各类遗传结构分析参数之间的高度相关性也与疣粒野生稻居群内遗传多样性低，杂合体比率较低有密切关系。 利用RAPD和inter-简单重复序列（ISSR）对来自中国20个居群疣粒野生稻混合样品，以及海南（M5）和云南（M27）两个居群各20个植株的遗传多样性进行了检测。ISSR的实验稳定性优于RAPD，且总的来说它能检测到更多的遗传变异。前者与它在PCR反应时退火温度较高，引物．模板复合物较稳定有关;而后者则与其引物靶序列容易在细胞分裂中产生突变有关。Mantel检测结果表明，衡量样品间的遗传关系时，这两种标记的分析结果在物种水平存在极显著的相关性（r = 0.917, t = 12789），而在居群水平不相关（r < 0.200）。这不但与它们所扩增的相应基因组片断的变异方式及在居群内分辩率下降有关，同时也反映了疣粒野生稻居群内和居群间存在着不同的进化模式。 3．利用RAPD和ISSR标记，对中国20个居群疣粒野生稻混合样品的遗传多样性进行了研究。RAPD和ISSR分别扩增出209和122条PCR条带，其中各有64.1l％（134条带）和72.95％（89条带）为多态条带。基于Jaccard系数的UPGMA分析表明，同一地区内居群的遗传变异比较小。20个居群按来源聚为云南与海南两类，其间产生了一定程度的遗传分化。这种遗传多样性分布的特点可能与其起源、分布格局、交配系统和种子散布方式有关。此外，尽管混合取样会低估一定的遗传变异能力，也不能得到关于居群内的遗传结构情况，但它仍然是一种获取遗传多样性信息的高效方法，适用于对研究材料进行日常管理和评价。 4．按照居群取样的方法，利用RAPD对来自中国云南和海南的20个疣粒野生稻居群共396个植株进行了遗传结构分析。联合ISSR，对其中5个居群初步的分析表明该物种在居群内的遗传多样性水平很低，RAPD的多态位点比率（PPB）在居群内从4.52％到13.06％;而ISSR的PPB值在居群内从7.08％-26.55％。AMOVA分析表明，对于RAPD来说，云南与海南两地区之间遗传变异的量占总变异量的73.85％，地区之内占19.45％，而居群内仅占6.70％。对于ISSR，疣粒野生稻地区间，地区内和居群内遗传变异的分布比率分别为49.26％、38.070A和12.66％。UPGMA聚类将同一居群内的个体聚为一支，并将居群按来源分为云南和海南两类。由于疣粒野生稻在群落内的分布为典型的metapopulation格局，伴随各聚群（colony）在群落次生演替过程中周转（灭绝与定植）时发生的遗传漂变、建立者效应和居群内强烈的近交是造成其居群内遗传多样性极低的主要原因。 5．利用10个ISSR标记对中国4个疣粒野生稻居群内的无性系生长与基因型遗传多样性进行了分析。在小尺度取样（个体间隔1.0-1.5m）的情况下，所有居群中均检测到明显的无性系生长现象。参与无性系生长的个体百分比在各居群中从25％-60％不等，Simpson多样性指数表明疣粒野生稻居群内的基因型多样性保持在较高水平（0.837-0.958）。尽管如此，AMOVA对居群内遗传变异进行方差剖分的结果表明参与无性生长的个体所含有的变异量平均只占总变异量的16.7%。因此，疣粒野生稻居群内遗传变异的来源主要依靠有性生殖来维持。同时，处于人为中度干扰之下的疣粒野生稻居群不但个体密度较高，其居群遗传多样性也未因此而降低。 6．在假设RAPD在同一种及其近缘种内PCR产物同源性较高的前提下，利用该技术对来自世界的23份O. granulata和O. meyeriana样品进行了遗传多样性分析和系统学研究。在物种水平，O. granulata具有非常高的遗传多样性（多态位点比率达83.54％），表明该物种进化历史中存在大规模居群瓶颈效应的可能性较小。O.gramulata与O. meyeriana各居群的遗传分化与岛屿形成导致的地理隔离之间有密切的关系。基于Nei & Li遗传相似性系数，利用Neighbor-Joining和UPGMA聚类法构建的两个系统树并不完全一致。主坐标分析（PCoA）支持NJ法的结果：来自O.meyeriana的两个样品倾向于聚为一类，并获得bootstrap分析的支持，但它们的遗传变异范围并未超出O. granulata。因此，我们的结果支持将这两个种进行归并。 7．由于疣粒野生稻在物种水平的遗传多样性非常高，变异主要存在于各地区之间，因此要最大程度地维持该物种遗传多样性，使之不发生遗传侵蚀意味着保护应该针对整个物种的分布区进行。对于分布于中国的居群来说，一方面由于变异主要存在于云南和海南两地区之间，另一方面由于地区内和居群内的遗传多样性相对较低，因此，云南和海南应做为中国保护该物种的两个中心。此外，由于一定程度的人为干扰有利于为该物种创造适宜生境，增加其居群密度，且不会致使遗传变异能力下降，因此在实施就地保护时应充分考虑将其与当地的经济开发项目相结合，达到自然保护与地方经济可持续发展的目的。

稀有植物太行花的保护生物学研究

悬崖代表着一个残遗的、较少受到干扰的古生境，悬崖也是生物多样性的避难所。这个特殊生境中分布种类丰富的稀有植物和特有植物，而这些稀有和特有植物又往往以悬崖为唯一的生境，在长期的演化历史进程中形成彼此相互适应的关系。这种分布在特殊生境中的稀有植物为保护研究提出了新的研究方向和问题。本文以蔷薇科的中国特有植物太行花（Taihangia rupestris Yü et Li）为对象，对这个仅分布在有限的地理范围内悬崖上的稀有物种进行了保护生物学的研究。 利用RAPD分子标记技术对太行花8个居群的遗传多样性和遗传结构进行了检测分析。结果表明太行花居群内维持着较高的遗传多样性水平，未显示遭受过严重遗传瓶颈的迹象。同时，居群间遗传分化显著，与居群间的地理距离相关，聚类分析得到的树系图与太行花种下两个变种（太行花原变种Taihangia rupestris var. rupestris和缘毛太行花Taihangia rupestris var. ciliate Yü et Li）的划分相符。 通过栽培实验，研究了太行花对光照和养分的反应，从生态学角度检测植物对环境因子变化的适应能力。结果表明光照处理显著影响太行花的气体交换参数，且显示出随季节不同而变化的趋势。在8月第一次测量时，光合速率随着光照水平的增加而增加;而在9月底第二次测量时，高光下植株的光合速率反低于中光条件下的植株。光合光反应曲线表明太行花对不同光照水平（高光、中光和低光）均显示出一定的光合适应性。 光照对太行花的生长反应、形态、解剖等指标均具有显著的作用。在收获时，高光下植物形成小而厚的叶片，更快的叶片形成速率足以弥补单叶面积上光合速率的下降，使植株维持最大的总生物量。中光条件下的植株具有更长的叶柄，更大的叶面积，大而薄的叶片，和更大的叶面积比，被认为是对较弱光照环境适应的表现。而光照对叶片的气孔指标（气孔密度、气孔指数和大小）没有作用，养分施加对太行花的影响也甚微。总体来说，太行花显示出对光照变化的生理适应性和形态可塑性，光照和养分这两个环境条件均非影响太行花局限分布的关键因素。 同时，我们采用扫描电镜手段跟踪观察了太行花的花的早期发育过程。太行花早期发育过程中苞片内残留的退化花痕迹表明，太行花的顶生单花其实是有限聚伞花序中其它花芽败育的结果，显示出从花序向单花演化的趋势。同时，雌蕊的发育在早期是正常的，未显示出退化痕迹。 根据以上结果表明，局限分布在特殊生境上的太行花并未显示出生理适应幅度的狭窄性和遗传多样性水平的降低，因此，太行花在长期的进化过程中形成了对特殊生境——悬崖的适应性，遗传衰退和缺乏适应性不是稀有植物太行花局限分布的原因。在对太行花的保护中应进一步加强对其生境的保护，并在进行迁地保护和回归引种时应兼顾不同变种和地理分布的居群，以实现对其遗传完整性的有效保护。

羊草叶片光合参数对不同水分变化的响应机理与模拟林祥磊

由温室气体的大量排放引起的全球环境变化不仅导致了温度的升高和降水格局的变化，亦引起了干旱等极端气候事件的频繁发生。研究羊草光合参数对水分胁迫及复水的响应，可以增进全球变化对植物光合作用和陆地生态系统影响的理解，揭示羊草光合参数对水分胁迫及复水的响应机理，为发展植物光合参数对水热变化的响应模型提供参数与依据。基于温室模拟试验和野外观测实验，采用Li-6400R便携式光合作用系统（Li-cor, Lincoln, NE, USA）测定了羊草（Leymus chinensis）叶片A/Ci曲线(净光合速率A和胞间CO2浓度Ci的关系曲线)，获取了羊草叶片的光合参数Vcmax（Rubisco的最大羧化速率）、Jmax（最大光合电子传递速率）和TPU（磷酸丙糖利用率），分析研究了羊草叶片光合参数Vcmax（Rubisco的最大羧化速率）、Jmax（最大光合电子传递速率）和TPU（磷酸丙糖利用率）对干旱与复水的响应机理。结果表明，无论是模拟实验还是野外观测均显示羊草叶片的光合参数随着土壤水分的增加呈抛物线曲线变化，但各光合参数最大值对土壤水分的响应不同。温室模拟下的羊草光合参数Vcmax，Jmax和TPU在土壤含水量分别在15.56%，15.89%和16.23%时达到最大，而野外观测羊草的光合参数Vcmax，Jmax和TPU在土壤含水量分别为16.89%，17%和16.79%时达到最大。复水后羊草植株叶片光合参数的变化取决于前期干旱的影响，土壤含水量18%～19%和15%～16%处理的羊草复水后光合参数能够恢复正常，前者甚至超过正常水平，说明适宜的水分胁迫在复水后能够提高羊草叶片的光合能力，促进光合作用;土壤含水量10%～12%和7%～9%处理下的羊草复水后光合参数则不能恢复到正常水平。土壤含水量15%～16%可能是羊草光合能力在水分胁迫后能否恢复的阈值。

内蒙古克氏针茅草原土壤呼吸作用研究

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环中的重要环节，是土壤与大气之间碳交换的主要输出途径。草地生态系统土壤呼吸作用研究在全球碳循环研究中占有十分重要的地位和作用。本研究选取我国内蒙古锡林郭勒盟典型草原区内的克氏针茅草原作为研究对象，基于Li-6400-09便携式土壤呼吸观测系统2005年生长季的野外观测资料，研究了克氏针茅草原土壤呼吸速率的日、生长季动态及其影响因子。研究结果表明： (1)　2005年生长季，克氏针茅草原土壤呼吸速率的日、生长季动态均呈单峰型曲线变化;日最大值和最小值分别出现在10:0013:00和凌晨4:00左右;生长季日均最大值(0.14mgCO2m-2s-1)出现在6月份，日均最小值(0.03mgCO2m-2s-1)出现在8月份。与以往典型草原土壤呼吸研究相比，峰值和最低值出现时间均提前。 (2)　在日尺度上，随着生长期的变化，控制土壤呼吸变化的环境因子有所不同。其中生长季初期和末期土壤呼吸速率日动态的限制因子主要为总辐射，而生长季中期，控制因子为气温和土壤含水量(010cm、1020cm)。在整个生长季的尺度上，影响土壤呼吸动态的环境因子主要为土壤含水量(010cm、1020cm、2030cm)、总辐射和土壤温度(10cm、15cm、20cm)，其协同作用可解释土壤呼吸变化的92%。其中约有72％的土壤呼吸作用变异是由表层土壤含水量(010cm、1020cm)和总辐射共同决定的，而010cm土壤含水量可单独解释土壤呼吸生长季变异的51%。 (3)　克氏针茅草原地上生物量的生长季变化呈单峰曲线型，8月份达到峰值。地下生物量和总生物量(地上和地下之和)在整个生长季的变化比较平缓，但在6月份和9月份分别出现一个峰值。其中，地上生物量是决定同一时间不同地点土壤呼吸速率变化的主要影响因素;而地下生物量对同一地点不同时间土壤呼吸速率变化的作用更为显著。其中地下生物量可解释土壤呼吸速率在整个生长季变异的25％。 (4)　通过灰色关联度方法综合分析环境因子与生物因子(地上和地下生物量)得到各影响因子与日均土壤呼吸速率生长季变化密切程度的相对顺序：0~10cm土壤含水量>地下生物量>10~20cm土壤含水量>20~30cm土壤含水量>气温>20cm土壤温度>5cm土壤温度>15cm土壤温度>10cm土壤温度>地上生物量>总辐射。结果表明：在2005年生长季，土壤含水量(0~10cm)是控制克氏针茅草原日均土壤呼吸速率生长季变化的主导影响因素，其次是植被的地下生物量。气温与土壤呼吸生长季变化的密切程度大于各层土壤温度。而地上生物量和总辐射对日均土壤呼吸生长季变化的影响最弱。