濒危植物华木莲繁育系统和小尺度遗传结构研究

The maintenance of genetic variation is a major objective for most species conservation plans. Breeding system differences, such as those in self-fertilization rates, are probably among the factors with major effects on genetic diversity. Sinomanglietia glauca (syn. Manglietia decidua) is an endangered plant firstly found in Yichuan of Jiangxi Province during 1990s. Due to its limited population size and great sciencific values, this species is listed as Category I of the National Key Protected Wild Plants. Since the discovery of S. glauca, it has been studied by different research groups. By far, its biological and ecological characteristics are well understood. However, the breeding system and fine-scale spatial genetic structure of S.glauca have seldom been considered in previous studies because of the pitfalls of molecular markers employed. In this project, we design to understand the type of breeding system and the fine-scale distribution of genetic diversity of S. glauca by means of pollination observation, controlled pollination, parentage analysis and population genetic investigation based on SSR and SNP markers. The results of this project would provide solid foundation for preserving the genetic diversity and evolutionary potential of S. glauca and promote its ‘Local Flagship Species’status in Jiangxi Province.

生物多样性保护的关键之一是保护物种的遗传多样性。在所有影响物种遗传多样性和遗传结构的因素中，繁育系统是最重要的因素。华木莲（落叶木莲）是我国一级重点保护植物，经过多年研究，其生物学特性与生态学特性已经比较清楚，但是与其遗传多样性保护密切相关的繁育系统却知之甚少，且小尺度遗传结构的研究工作也尚未开展。因此，本研究拟对华木莲的传粉生物学特性进行深入研究，了解其传粉系统和传粉机制；同时利用课题组已开发的华木莲SSR和SNP标记，采用亲本分析方法定量检测华木莲近交率（交配系统）和花粉流，运用群体遗传学方法检测华木莲小尺度遗传结构。本项目有望揭示濒危植物华木莲的繁育系统类型及其地理变异、小尺度遗传结构及其与繁育系统的关系，为这一珍稀植物遗传多样性和进化潜力的保护奠定理论基础。

繁育系统是决定植物遗传多样性和遗传结构最重要的因素。因此，植物繁育系统的研究对于濒危植物的保护具有十分重要的意义。该项目以濒危植物华木莲为对象，通过对华木莲的传粉生物学特性深入研究，了解其传粉机制和繁育系统；并利用多个微卫星位点对江西宜春和湖南永顺两地的华木莲进行小尺度遗传结构分析。研究结果发现：华木莲花为雌雄蕊异熟，繁育系统为兼性异交，部分自交亲和，需要传粉者，但是江西和湖南两地的有效传粉者并不相同。该植物自然结实率非常低，且异株授粉显著高于自然授粉和同株异花授粉。通过21个微卫星片段对568份野外采集的华木莲样品和500份种子萌发的幼苗进行群体遗传多样性分析，发现华木莲具有较低的遗传多样性（野外HO=0.33，种子HO=0.39），但是江西群体的遗传多样性（野外HO=0.60，种子HO=0.56）显著高于湖南群体（野外HO=0.06，种子HO=0.22）。但是，我们检测出湖南群体的近交程度（Fis=0.43）明显高于江西群体（Fis=0.01）。对华木莲群体进行遗传结构及基因流分析，结果显示两个群体发生了高度分化（Fst=0.44），且近期几乎没有基因交流；湖南和江西群体的空间遗传结构强度（Sp）值分别为0.477和0.0617，表明湖南群体具有更为显著的小尺度空间遗传结构。通过ABC（Approximate Bayesian Computation）方法对群体的进化历史进行模拟，发现江西群体与湖南群体分化时间大约在2.56 ka，江西群体大约在0.22 ka发生了群体扩张事件，随后经历了一次瓶颈事件导致种群大小急剧减少；而湖南群体大小一直都在降低，且现在的群体大小远小于江西群体。该研究成果可为后续华木莲的保护提供一定的理论基础。