Experimental studies on the effects of toxic Microcystis aeruginosa PCC7820 on the survival and reproduction of two freshwater rotifers Brachionus calyciflorus and Brachionus rubens

Blooms of Microcystis aeruginosa frequently occur in many eutrophic lakes in China, however, there is very little experimental study on the relationship between Microcystis and rotifers from Chinese waters. The effects of different concentrations of toxic M. aeruginosa PCC7820 on two common freshwater rotifers Brachionus calyciflorus and B. rubens were investigated in laboratory experiments. B. calyciflorus was able to utilize this strain of M. aeruginosa as a food source. However, M. aeruginosa suppressed the survival and reproduction of B. calyciflorus at the highest concentration (10(6) cells/ml) probably due to the inadequate nutrition. B. rubens was inhibited by toxic M. aeruginosa PCC7820 and the inhibition increased with the increasing Microcystis concentration. Our study indicates that the two rotifers have different sensitivities to toxic M. aeruginosa and that toxic cyanobacteria may affect zooplankton community structure by differentially inhibiting the different zooplankton taxa.

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。

海南野生兰科植物保育生物学研究

兰科(Orchidaceae)是高等植物中第二大科，包括石斛属在内的许多种类均具有较高的观赏价值和独特的药用价值。过度采挖和商业利用及原生境丧失致使野生兰科植物资源受到了毁灭性的破坏，许多兰科植物种类日趋濒危。本研究以海南岛野生兰科植物为对象，从生物多样性、群落生态学、菌根体系的建立和重引入实施工程等方面开展工作，研究结果如下： 1）报道了中国兰科植物2个新种，1个中国新记录属，6个中国新记录种及11个海南新记录种。其中，2个新种为长筒天麻Gastrodia longitubularis和芳香白点兰Thrixspermum odoratum；1个中国新记录属为小囊兰属Micropera；6个中国新记录种，分别为疏花羊耳蒜Liparis sparsiflora、三色槌柱兰Malleola insectifera.、红花小囊兰Micropera poilanei、美丽云叶兰Nephelaphyllum pulchrum、腐生齿唇兰Odontochilus saprophyticu和白花曲唇兰Panisea albiflora；11个海南新记录种，分别为密花石豆兰Bulbophyllum odoratissimum、金唇兰Chrysoglossum ornatum、勐海隔距兰Cleisostoma menghaiense、束花石斛Dendrobium chrysanthum、无叶美冠兰Eulophia zollingeri、滇南翻唇兰Hetaeria rubens、心叶球柄兰Mischobulbum cordifolium、毛叶芋兰Nerviliaplicata、平卧曲唇兰Panisea cavalerei、云南曲唇兰Panisea yunnanensisi及台湾白点兰Thrixspermum formosanum。 2）海南琼北火山岩地区调查结果表明，该区有兰科植物10属14种，成斑块状分布；其区系成分单一，生活型不全面；附主植物种类多样，人工种植的经济作物为该地区兰科植物的主要附生宿主。生境特征分析结果显示，琼北火山岩地区独特的地质气候条件及植被类型是影响该地区兰科植物种类数量的主要因素。人工干扰所致的植被破坏、生境破碎化是该地区兰科植物多样性丧失的主导因素。 3）以我国兰科海南特有种-华石斛（Dendrobium sinense TangetWang）为研究对象，采用双向指示种分析法（TWINSPAN）和除趋势对应分析法（DCA）对海南霸王岭国家级自然保护区华石斛附生群落进行了分类和排序。结果表明：TWINSPAN分类结果将22个样方划分为2个植被类型、5个群系、7个群丛组；并分别对各群丛组的生境特点、植被树种组成作了论述。DCA二维排序图较好地验证了TWINSPAN的分类结果，并客观地反映了群落的生境特征。随着海拔逐渐升高，华石斛附生群落植被类型从山地常绿林逐渐过渡到高山苔藓矮林，群落中的优势种由喜高温耐干旱的热带、亚热带树种逐渐演变为耐低温喜湿的亚热带、温带树种。华石斛在主要群落类型群系间、群丛组内的数量、密度和空间分布格局表现出较大差异，以具通风、凉爽和高湿环境的高山苔藓矮林附生数量最多。附生群落类型的多样性反映了华石斛对多样生境的适应性。华石斛附生群落植被类型群丛组的划分，进一步细化和丰富了海南热带森林植被类型山地常绿林和高山矮林的划分，有助于了解华石斛自然居群的生境特点，为进一步开展华石斛的保育工作提供了科学依据。 4）兰科菌根菌对兰花种子萌发和原球茎生长起了重要作用，在成年阶段也扮演着重要角色。为了解东南亚特有种五唇兰的菌根形态和菌根真菌的动态侵染过程，对不同生境下两种变异类型（叶背绿色和叶背紫色）的成年植株菌根分三个时间段采样并进行显微观察。结果表明，成年的五唇兰植株与菌根真菌有着密切关系，菌丝的侵染、定殖和消解程度随着生长发育变化而变化；在营养生长阶段和生殖生长阶段都发现菌丝结，这两个阶段的菌丝特征有所不同；而在休眠阶段的菌根中观察不到菌丝结；不同生境和不同变异类型的菌根结构无明显区别。 5)利用种子原地共生萌发技术，通过种子预处理及播种等技术的不断完善，获得了大量种子萌发原球茎；初步揭示了华石斛种子萌发原球茎规律。结果表明：10%NaOH浸泡10min预处理能显著提高华石斛种子萌发率；原生境人工播种明显提高了萌发的原球茎数及宿主原球茎产生率；但不同附生宿主间存在差异，自然萌发原球茎数非常低。播种后2.5个月左右种子开始萌发，4.5个月左右达到高峰，在6.5个月原球茎数基本趋于稳定。 6)华石斛菌根化苗重引入实验结果表明，实验室筛选的有益真菌与原生境下筛选有益真菌存在一定差异。菌根化苗重引入野外生境，3个月后以12号华石斛菌根化苗生长最好，3、9号华石斛菌根化苗生长较正常，而7、10号两种华石斛菌根化苗叶片受损或死亡，无菌组培苗基本已死亡；华石斛菌根化苗成活率在50%以上，而对照几乎全部死亡；从菌根化苗长势评价，3、9、12号3个内生真菌华石斛菌根化苗生长较好，为真正有益共生真菌。