植物核DNA含量全球变异式样及其环境和系统发育因素分析

论文摘要

植物核DNA含量涉及到基因组大小和DNA C-值两个概念。植物基因组大小（genome size）是指一个物种配子核中单个染色体组中的DNA含量,DNA C-值是一个重要的生物学概念,并具有一定的生物学、生态学意义。有关核DNA含量测定结果的可靠性存在一定争议,目前不清楚不同方法的测定结果是否存在规律性的差异;特别是植物不同类群的核DNA含量在全球尺度上的变异式样并不清楚;先前多关注与纬度、海拔、年均温度和年降雨量间的关系,但是核DNA含量与这些环境变量间的关系争议不少,而且与极端气候条件等生物气候因子的关系也不清楚。已有关于环境氮素可能是植物基因组进化的驱动因素之一,但是证据仅来自局部环境的个别类群,是否具有普适性并不清楚。针对以上问题,首先用FACSCalibur流式细胞仪测定采自中国境内农田环境的167个稗属样本的DNA 2C值数据,应用线性模型和高斯模型分析了稗属（Echinochloa）及该属不同种类在纬度和经度梯度上的DNA 2C值地理梯度规律;用单因素方差分析统计了流式细胞术和浮尔根染色法测定核DNA含量的差异性;比较了入侵植物与本地种、濒危种和非濒危种、不同倍性的植物核DNA含量的差异性;基于全球范围内已经测定过的禾本科、豆科、菊科等被子植物的核DNA含量数据及其地理分布信息,应用分位数回归分析法统计了这些类群的核DNA含量与气候因素、氮含量等环境因素间的关系。以上工作旨在更全面地了解植物核DNA含量的分布规律,阐明其可能的生物学、生态学和进化上意义。主要结果如下:1.在5763种已经测定过核DNA的被子植物中,发现入侵种（150种）的基因组大小为1.631±0.166pg,非入侵种（5613种）的为4.895±0.108pg,入侵种的基因组极显著地小于非入侵种（p<0.001）;在菊科植物中,发现入侵种（24种）的基因组大小为1.583±0.146pg,非入侵种（706种）的为2.925±0.076pg,同样地,该科的入侵植物基因组极显著地小于非入侵种（p<0.001）;但是,在禾本科植物中,入侵种（19种）的基因组为2.138±0.237pg,非入侵中的为2.915±0.069pg,两者之间无显著性差异。2.在5694个已知基因组大小的被子植物中,I类、II类濒危物种、III类濒危物种的基因组大小均值分别为为4.688pg、4.157pg、8.781pg,发现濒危等级最高的（III类）基因组极显著地大于非濒危种（I类）和濒危等级较低的物种基因组大小（II类）（p<0.001）,其DNA C-值也有同样的规律。在兰科植物中,I类物种、II类濒危物种、III类濒危物种基因组大小均值分别为4.410pg、12.612pg、19.718pg;I类、II类和III类濒危植物的DNA C-值均值分别为4.518pg、12.613pg和23.622pg,发现III类比II类、III类比I类植物的基因组大小和DNA C值均匀显著性变大（p<0.001）。因此,在遗传背景相近的类群中,也是濒危物种有较大的DNA C-值和基因组大小。3.在全球735种禾本科植物中,二倍体（267种）和多倍体（468种）的基因组大小平均值分别是3.383±.383小pg和2.661±.661小pg,发现二倍体的基因组大小极显著的大于多倍体基因组大小（p<0.001）。分析澳大利亚范围内的禾本科植物基因组大小,发现同样的规律,进一步统计分析澳大利亚境内禾本科植物不同倍性的基因组大小的差异性,发现不同倍性的植物基因组大小存在极显著差异,且二倍体的基因组大小均值最大,十二倍体的基因组大小均值最小。4.全球已知54395个禾本科分布点数据,Feulgen显微密度法测得的二倍体、四倍体、六倍体、八倍体的DNA C-值分别是3.826±0.017pg、3.157±0.017pg、2.206±0.017pg、2.543±0.017pg;流式细胞术得的二倍体、四倍体、六倍体、八倍体的DNA C-值分别是1.726±0.012pg,2.243±0.020pg,2.229±0.140pg,and 2.020±0.020pg。澳大利亚2889个禾本科分布点数据,Feulgen显微密度法测得的二倍体、四倍体、六倍体、八倍体的DNA C-值分别是4.697±0.086pg、3.315±0.063pg、2.177±0.063pg、2.990±0.063pg;流式细胞术得的二倍体、四倍体、六倍体、八倍体的DNA C-值分别是1.637±0.047pg、2.156±1.648pg、2.055±0.036pg、2.055±0.008pg。发现用了两种方法测定的二倍体、四倍体、八倍体物种的DNA C-值之间存在显著性差异（p<0.05）,六倍体无显著性差异。5.我国境内稗及其变种、孔雀稗（E.cruspavonis）、硬稃稗（E.glabrescens）、光头稗（E.colonum（Linn.）Link）的DNA 2C值分别为2.319±0.010pg、2.252±0.043pg、2.297±0.024 pg、2.170±0.025pg,稗属不同种类间DNA 2C值存在一定程度的变异（p=0.113）;稗草原变种（E.crusgalli）、短芒稗（E.crusgalli var.breviseta）、无芒稗（E.crusgalli var.mitis）、西来稗（E.crusgalli var.zelayensis）、细叶旱稗（E.crusgalli var.praticola）的DNA 2C值分别为2.357±0.025pg、2.331±0.037pg、2.305±0.010pg、2.309±0.024pg、2.412±0.027pg,稗草种内不同变种间DNA 2C值的差异不明显（p=0.370）,也小于不同种间的差异。结合前人对稗属36个样本的测定数据,以稗属作为整体,DNA 2C-值（y）与纬度（x1）和经度（x2）均呈现规律性变化,可以分别应用高斯模型和线性模型拟合,但是应用高斯模型这种非线性方法能够更好地拟合DNA 2C值与地理梯度的关系。稗属植物的DNA 2C值在纬度29度时较高,随着纬度增高或下降,DNA 2C值均呈现下降趋势。在经度梯度上,稗属植物的DNA 2C值在经度114时较高,随着经度增高或下降,DNA 2C值均呈现下降趋势。在种的水平上,稗及其变种、孔雀稗的DNA 2C值同样有上述的变化趋势,但是硬稃稗DNA 2C值的地理纬度现象不明显。6.用分位数回归分析方法,统计分析了纬度对植物基因组大小的影响程度。在全球尺度上,禾本科和豆科草本植物基因组大小与纬度之间存在明显的非线性关系,表现出这些类群的DNA 2C值在赤道及附近区域较小,向更高的南纬和北纬,该值升高;在北半球,DNA 2C值在纬度55度时达到最大,随着纬度的进一步增高,该值又呈现下降趋势。分位数回归分析表明,基因组较大的物种,在赤道附近及高纬度地区分布较少,在中纬度地区分布较多,而基因组较小的物种在整个纬度范围都有分布。反映出基因组小的物种能够适应更严酷或更多样化的环境条件,即环境条件对基因组大小具有选择作用。7.在全球范围内,用分位数回归分析方法,统计分析了不同气候因素对植物基因组大小的影响程度,发现在全球大尺度范围内,禾本科和豆科草本植物与气候因素之间存在明显的非线性关系,豆科木本与气候因素之间呈现较为明显的线性关系。在不同的分位点,气候因素对植物核DNA含量的影响程度是不同的,发现气候因素对基因组较大的物种影响比较大,即基因组较大的物种对生存环境的要求更高,基因组较小的物种在整个气候条件下均有分布。8.以单子叶植物的核DNA含量为对象,根据它们在全球十个纬度梯度上数据,分析了单子叶植物核DNA含量沿着纬度的变化情况。单子叶植物核DNA含量随着纬度呈现非线性的规律变化,赤道区及其附近区域、北极地区的单子叶植物平均的核DNA含量最低,中纬度温带区域的最高;在中等温度和雨量环境下单子叶植物平均的核DNA含量最高,温度和水分趋向极端的环境下其核DNA含量较低,两者也呈非线性关系,可以用“单峰”函数拟合;单子叶植物的核DNA含量低的类群具有更广泛的全球分布,含量高的种类偏向于分布在中纬度的温带区域。因此,单子叶植物的核DNA含量沿着纬度梯度有规律性地非线性变化,这种变化有气候适应意义.9.在澳大利亚范围内统计分析被子植物与地表氮含量之间的关系,发现菊科,豆科木本植物与氮素含量之间存在较为明显的线性关系。发现基因组大小较小的物种在整个氮含量下都有分布,基因组大小较大的物种在氮素含量较小的条件下分布较多,在氮素含量上升到一定的值时,基因组大小较大的物种,基本没有分布,说明,地表氮含量对基因组大小较大的植物影响比较大。10.利用单因素方差分析统计分析了禾本科植物不同类群及不同进化程度的物种基因组大小的差异性。发现禾本科植物进化程度不同的属群,基因组大小存在显著性差异,同一属内不同进化程度的物种基因组大小也存在一定的差异。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 柴玲香

导师: 郭水良

关键词: 核含量,基因组大小,入侵种,濒危种,地理梯度,气候因素,氮含量,单因素方差分析,分位数回归,高斯模型,地理信息系统

来源: 上海师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学,生物学

单位: 上海师范大学

基金: 国家自然科学基金项目编号:31070479

分类号: Q943

总页数: 107

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