横断山区的翠雀属植物:分类学和细胞学

翠雀属Delphinium L.是毛茛科中的一个大属，全世界有300－400 余种，广布于北半球温带地区。我国是世界上记载翠雀属植物种类最多的国家，尤以西南横断山区种类最为丰富。 通过文献查阅、标本室研究和野外考察，本文对我国特别是横断山区翠雀属植物的主要形态性状在居群间和居群内的变异式样进行了初步分析，认为根的形态、叶的分裂程度、植株尤其是花序轴和花梗被毛与否以及毛被类型、小苞片的形状和位置、退化雄蕊的颜色、上萼片的形状、心皮数目和种子形态特征是比较可靠的分类性状。但性状之间的相关性往往较小，即使是通常比较稳定的分类性状有时也表现出不同程度的变异，因此同一性状对于不同等级分类群的划分和在不同分类群中的分类价值常不一样。在具体的分类处理中，应具体情况具体分析，尽可能利用较多的分类学性状或性状组合。 根据上述对我国翠雀属植物主要形态性状变异式样的理解，本文主要对我国西南横断山区及其邻近一些地区的翠雀属植物进行了力所能及的分类修订：将42 种和22 变种降为异名，提出2 新组合(毛梗黑水翠雀D. potaninii var. mollipes　(W. T. Wang) Q. Yuan & Q. E. Yang 和腺毛康定翠雀D. tatsienense var. pseudomosoynense (W. T. Wang) Q. E. Yang & Q. Yuan)，澄清了直距翠雀D. tenii Lévl. 的名实问题和Munz 等学者对我国翠雀属植物标本的鉴定错误以及由此引起的我国有关翠雀属植物的地理分布的混乱; 另有两种( 硕片翠雀D. grandilimbum W. T. Wang & M. J. Warnock 和永宁翠雀D. yongningense W. T. Wang & M. J. Warnock)因未见到模式标本，故暂存疑。本文讨论到的我国翠雀属植物共有87 种、10 变种。 为了在染色体水平上了解横断山区翠雀属植物的物种形成和分化，同时增加对整个翠雀族tribe Delphineae Warming 植物染色体进化的理解，本文报道了我国主要采自该地区的乌头属Aconitum L. 30 种、1 变种共40 个居群和翠雀属 48 种、3 变种共87 个居群的染色体数目，分析了30 种、1 变种乌头属植物和 46 种、3 变种翠雀属植物的核型，发现46 种、3 变种翠雀属植物为二倍体(2n = 2x=16)，1 种(黄毛翠雀D. chrysotrichum Finet & Gagnep.)为四倍体(2n = 4x =32)，1种(螺距翠雀D. spirocentrum Hand.-Mazz.)有二倍体和四倍体两种细胞型，3 种(宽距翠雀D. beesianum W. W. Smith、裂瓣翠雀D. mosoynense Franch.和康定翠雀 D. tatsienense Franch.)的个别居群有B 染色体出现。这表明横断山区翠雀属植物的物种形成主要在二倍体水平上进行。可能由于核型直向选择（karyotypic orthoselection）的结果，我国翠雀属植物的核型就整体情况而言在属内相当一致，属内核型分化不如乌头属中明显，外部形态上显得最为原始的种类如短距翠雀 D. forrestii Diels 和毛翠雀D. trichophorum Franch.的核型与其他多年生种类的核型相比并无明显区别。尽管如此，翠雀属植物的核型在属内仍表现出一定程度的分化：在多年生种类中，大理翠雀群(D. taliense group)的种类的染色体内部不对称性(intrachromosomal asymmetry) 程度较高, 但染色体之间的不对称性 (interchromosomal asymmetry)程度偏低;一年生种类与多年生种类相比，我国唯一的一年生种还亮草D. anthriscifolium Hance 染色体之间不对称性最高，该种染色体内部不对称性程度在翠雀族中也偏高，因此就其核型的整体不对称性程度而言，在翠雀属乃至整个翠雀族中最高，而地中海分布的一年生种类的染色体内部不对称性明显增强, 但染色体之间的不对称性在翠雀族中最低。这种核型分化的系统学和生物地理学意义尚不清楚，以后需进一步研究。与乌头属相比，翠雀属植物的染色体通常较小，核型中st 染色体明显增多（可达6 对），核型的整体不对称性程度逐渐增强; 虽然乌头属牛扁亚属Aconitum subgen. Lycoctonum (DC.) Peterm.的二倍体种类也一般具有较多的st 染色体（4 对），但这些st 染色体比乌头亚属Aconitum L. subgen. Aconitum和露蕊乌头亚属Aconitum subgen. Gymnaconitum (Stapf) Rapaics 植物核型中相对应的m 或 sm 染色体以及翠雀属和飞燕草属Consolida (DC.) S. F. Gray 植物中相对应的st 或偶尔出现的sm 染色体要大。特别应当注意的是牛扁亚属中外部形态上显得最为原始的展喙乌头A. novoluridum Munz 的核型具有较多而且较大的sm 染色体，所以我们认为展喙乌头的核型保留了较多的原始性质，那些核型中具有较多st 染色体的牛扁亚属植物应当是该亚属中在核型上已比较特化的种类。这一结果不支持前人提出的乌头属植物的核型有从st 染色体进化到m 或sm 染色体的趋势的观点。就整个翠雀族而言，从现有资料看，其核型的进化趋势应当为：(1) 染色体从大进化到小, 从m 或sm 染色体进化到st 染色体;(2) 核型的整体不对称性程度逐渐增强，即核型的二型性从多年生的牛扁亚属植物到翠雀属植物的一年生的还亮草亚属Delphinium subgen. Delphinium 而愈趋明显。翠雀族植物核型的进化方向与整个毛茛科核型的进化方向看来是一致的，即都向核型不对称性增强的方向进化。

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。

松科nrDNA 的进化研究Evolution of nuclear ribosomal DNA in Pinaceae

核核糖体DNA（nrDNA）已被作为一个重要的标记，用于推断很多分类等级上的系统发育关系。相对于在被子植物中的快速致同进化，nrDNA在裸子植物中的致同进化速率低，且ITS和5S-NTS区有着较大的长度变异，这种现象在松科植物中尤为明显。在本研究中，我们克隆并测定了银杉属的5S rDNA以及冷杉属、银杉属、雪松属、油杉属、长苞铁杉属、金钱松属与铁杉属的ITS序列。基于获得的新数据，再结合前人报导的其它属的数据，我们探讨了如下四个问题： （1）松科 nrDNA ITS1 亚重复单位的组成、分布及进化;（2）ITS1区的长度变异与亚重复单位数目的关系以及它们的系统学意义;（3）松科ITS1的二级结构特征;（4）银杉5S rDNA编码区及非转录间隔区的结构特征。主要研究结果如下： 1. ITS区的序列分析ITS区的克隆及序列分析发现：（1） 松科ITS1的长度变异范围为 944-3271 bp, 这是目前已报导的真核生物中属间ITS变异最大的类群之一;（2） 所有松科植物的ITS区域都包含亚重复单位，亚重复单位的数目从2到9，并且这些亚重复单位可分为两种类型，即不含保守核心序列（5’-GGCCACCCTAGTC ） 的长亚重复单位（LSR）和含上述保守核心序列的短亚重复单位（SSR）;（3） ITS1区的巨大长度变异主要归因于亚重复单位的数量变异; （4） ITS1区的GC含量与 它的序列长度和亚重复单位的数目有一定关系，并能够提供一些系统发育信息，特别是支持云杉属、松属和银杉属三者具有很近的亲缘关系。 2. ITS1亚重复单位的系统发育分析为了研究亚重复单位的进化关系，我们用最大似然法和最大简约法构建了松科ITS1亚重复单位的系统发育树。结果表明：（1）在ML和MP树中可发现有共同的五个分支; （2） 银杉比松科其它属拥有更多的SSR，且该属的所有9个SSR在系统树中构成一个单系支，表明它们是在银杉属内发生重复的;（3）一些SSR在属间和种间具有同源性，可为nrDNA ITS 的进化历史以及松科的系统发育 研究提供重要信息;（4）亚重复单位的多次重复以及伴随的重组可能是导致LSR 和SSR在松科不同属中分布式样不同的原因。 3. 松科ITS1的二级结构 用 Mfold 3.2 软件对松科所有11个属的ITS1区进行了二级结构预测，共获得了563个最低自由能折叠。结合以前关于松科二级结构的报导，我们分析的结果表明：（1） 松科ITS1的二级结构主要由几个延展的发夹结构组成;（2） 构象的复杂性与亚重复的数目呈正相关;（3）配对的亚重复单位通常在保守核心区（5’-GGCCACCCTAGTC ） 处有部分重叠，并且构成一个长茎，而其它的亚重复单位通常会自身折叠，且保守核心区的部分出现在发夹结构的环中。 4. 银杉5S rDNA 序列分析 我们对来自银杉不同群体的3个个体的5S rDNA进行了克隆，共获得 45 条序列，分析结果表明：（1） 绝大多数银杉5S rDNA编码区长度为120 bp, 以GGG 开头，以CTC结尾，编码区出现的碱基替代主要为转换;（2） 银杉与其它裸子植物相比，5S rDNA基因编码区具很高的相似性（90-99%）; （3）间隔区含有一个poly-C和一个poly-T结构、两个TC丰富区以及五个GC丰富区。根据长度和序列特征，银杉的5S rDNA间隔区可分为三种类型：Type A 长751-764 bp，Type B 长770-807 bp （含一个32 bp的插入），Type C 长581-594 bp; （5）长间隔区（Type A，Type B ）中含有两个148-175 bp的串联亚重复单位，该亚重复单位与短间隔区（Type C ）中的一段143 bp的序列具有较高的相似性（56.0-66.8%）。 5. 银杉5S rRNA的二级结构 Mfold 3.2 预测结果表明：（1）银杉5S rRNA二级结构包括5个双螺旋区（干区）（Ⅰ-Ⅴ）、2个发夹结构环区（C和D）、3个中间环区（B1、B2 和 E）和1个铰链区（A）, 铰链区为三个双螺旋的结合处;（2） 二级结构中的环区通常比双螺旋区更加保守;（3）在5个双螺旋中，I 和 IV 区有较高的碱基替代率。

Evolution of localized blobs of swirling or buoyant fluid with and without an ambient magnetic field.

We investigate the evolution of localized blobs of swirling or buoyant fluid in an infinite, inviscid, electrically conducting fluid. We consider the three cases of a strong imposed magnetic field, a weak imposed magnetic field, and no magnetic field. For a swirling blob in the absence of a magnetic field, we find, in line with others, that the blob bursts radially outward under the action of the centrifugal force, forming a thin annular vortex sheet. A simple model of this process predicts that the vortex sheet thins exponentially fast and that it moves radially outward with constant velocity. These predictions are verified by high-resolution numerical simulations. When an intense magnetic field is applied, this phenomenon is suppressed, with the energy and angular momentum of the blob now diffusing axially along the magnetic field lines, converting the blob into a columnar structure. For modest or weak magnetic fields, there are elements of both types of behavior, with the radial bursting dominating over axial diffusion for weak fields. However, even when the magnetic field is very weak, the flow structure is quite distinct to that of the nonmagnetic case. In particular, a small but finite magnetic field places a lower bound on the thickness of the annular vortex sheet and produces an annulus of counter-rotating fluid that surrounds the vortex core. The behavior of the buoyant blob is similar. In the absence of a magnetic field, it rapidly develops the mushroomlike shape of a thermal, with a thin vortex sheet at the top and sides of the mushroom. Again, a simple model of this process predicts that the vortex sheet at the top of the thermal thins exponentially fast and rises with constant velocity. These predictions are consistent with earlier numerical simulations. Curiously, however, it is shown that the net vertical momentum associated with the blob increases linearly in time, despite the fact that the vertical velocity at the front of the thermal is constant. As with the swirling blob, an imposed magnetic field inhibits the formation of a vortex sheet. A strong magnetic field completely suppresses the phenomenon, replacing it with an axial diffusion of momentum, while a weak magnetic field allows the sheet to form, but places a lower bound on its thickness. The magnetic field does not, however, change the net vertical momentum of the blob, which always increases linearly with time.