武汉植物学研究2000, 18(2): 165168J ournal of Wuhan Botanical Research栽培植物的分子生态学研究概况彭少麟 张太平(中国科学院华南植物研究所 广州 510650)AN INTRODUCTI ON TO MOLECULAR ECOLOGY OF CULTIVATED PLANTSPeng Shaolin Zhang Taiping(S outh China Institute of B otany,T he Chinese A cademy of S ciences Guangzhou 510650)关键词 种质资源,栽培植物,分子生态学Key words Germplasm,Cultivated plant,M olecular ecology在全球变化的压力下和人类对自然生态系统的过分干扰下,许多物种面临灭绝或严重基因流失的威胁。 直接或间接为人类提供食物,与人类紧密联系,人类赖以生存的栽培植物及其野生种只有几千种,它们也同样面临着遗传资源丢失的严重问题。 如果这些问题不能引起重视,即使现存的物种多样性具有巨大的满足人类需要的潜力,人类未来也将难以预料。这一严峻的事实已引起全球性的重视,植物遗传资源的研究与保护已经提上了议事日程。由I BPGR和I UCN - WW F合作,Hoyt起草出版的 作物野生亲缘种的保护 为世界农作物遗传资源保护提供了行动指南1。近年来,国内外对栽培植物遗传资源的起源与演化,遗传多样性的分布与动态,特异种质资源的发掘等方面也进行了深入的研究。对这些问题的科学探讨,为栽培植物的分子生态学的兴起提供了基础。栽培植物与自然植物种群具有迥然不同的遗传及生态特征。 从以下可以看出,不同栽培植物种质资源其起源演化、 地理与历史分布及遗传多样性动态等都有其本身的特殊性与复杂性。 自然植物种群的分子生态学研究已经取得了巨大成绩,而栽培植物的分子生态学研究还刚刚开始。 随着分子标记技术的迅 速发展,以及在生态学上的应用,分子生态学的形成与发展,在解决栽培植物的起源演化、 遗传多样性的分布与动态、 特异种质资源的发掘与利用、 转基因植物的环境释放与生态影响等问题时必将取得突破性进展,并将为栽培植物分子生态学研究奠定良好的基础。1 栽培植物的起源与演化长期以来,植物学家一直在研究探讨农业的由来与发展,农作物的起源与演化。农业起源于7 00010 000年以前,最早的农民收集野生植物种子播种培育粮食。 由此可见,栽培植物起源于野生植物。 近年来随着分子标记技术的发展与利用,在研究野生植物与栽培植物的相互关系,以及栽培植物遗传多样性的起源与演化等问题时已取得巨大成绩。我国水稻的品种资源与野生资源都极为丰富,至今仍发现有大量的野生稻种群。国内外利用等位酶、RFL P、RA PD等分子标记研究了野生稻种群间、 野生稻与栽培稻之间及栽培稻品种之间的相互关收稿日: 1999204205,修回日: 1999205224。第一作者:男, 1956年出生,研究员,从事宏观生态学研究。国家自然科学基金重大项目(编号: 39899370)、 中日美国际合作项目、 中国科学院广州分院重大项目资助。系,并对水稻的起源与演化进行了深入的探讨,证实我国是水稻的主要起源地之一及遗传多样性分布的 中心24。Garvan与W eeden(1994)利用等位酶标记技术研究了宽叶菜豆(Phaseoius acutif olisL atifolius)的 地理起源,探测到乌头酸酶的两种等位酶ACO - 1和ACO - 2,前者为单态,ACO - 2受F、S两个等位基因控制。引种驯化的宽叶菜豆F基因频率为01997,而野生的宽叶菜豆S基因频率为0196,说明了这 种驯化栽种的宽叶菜豆起源于单一地区,并预计其引种驯化的遗传瓶颈,证实对宽叶菜豆种质资源的调 查及开发利用应更多的集中在其野生类型上5。邱丽娟等利用RA PD标记对中国及美国大豆种质资源进行了比较,阐述了其互补性并提出引种对丰富我国大豆遗传基础的意义6。南美人工栽种的一种茄科植物PEP I NO(S olanum M uricatum, Solanaceae)在世界果品市场很风行, 过去不太清楚其起源如何,也未发现其野生类型。A nderson等利用叶绿体DNA与核糖体DNA的限制性酶切技术研究证实其多元起源的特征,发现现在栽培的PEP I NO不同品种至少起源于3种不同的植物7。 国内外利用分子标记技术探讨栽培植物的起源与演化的例子越来越多。L uro等DNA扩增指纹技 术对柑橘属植物的遗传起源与多样性进行了分析8; Cervera等利用RFL P标记技术对葡萄遗传资源的研究9。 柚(Citrus g rand isO sbeck)最早为美国植物分类学家P. O sbeck于1757年确定为柑桔属的一个种。Scora研究也指出,柑桔亚属有3个基本种,即枸橼(C.m ed ica)、 柚(C.g rand is)和宽皮柑桔(C.reti2culata)10。但其分类地位素有争议,在Sw ingle的 “大种” 和Tanaka的 “小种” 分类系统中柚的种的地位 不同。前者认为来檬(C.A urantif olia)是枸橼和柚的杂种,而后者认为来檬沿着两个方向分别衍生出枸 橼和柚,目前前者得到更多的支持11。也有人对其品种的分类地位提出异议,利用同工酶研究发现其品 种间差异比Sw ingle的 “大种” 系统中金柑属的种间差异更大12,曾勉也曾将柚独立划分为一属13。柚的起源中心也众说纷纭,有人认为在印度,也有人认为在东南亚或中国。虽然在我国还没有发现柚的野生种,但有柚的古老先头近缘种红河大翼橙的分布,以及我国柚类遗传资源的高度多样化,是我国作为 柚类起源中心的重要佐证。在柚的长期传播过程中,日本、 印度、 东南亚成为种质起源的次级中心。从演化趋势来看, Tanaka将柚类分为内陆性系统和海洋性系统,前者为原始类群,后者为进化类群14,但这些假设还缺乏分子生态学证据。 柚类同工酶具有多型性。Torres在研究中发现,柚GOT同工酶谱仅有A类型,其GOT21和GOT22各仅一条酶带,分别为FF和MM基因型15。 而在中国特有柚类种质中的研究发现,另外两种GOT同工酶新类型,即B类型和C类型。方德秋对柑桔类GOT、PGI、PGM、M E、POX、SOD、TO 7种同工酶的 研究发现,不同生物型都有其特异的同工酶基因型,反映了它们之间明显的遗传差异16。Fang等利用ISSR(Inter2Si mple Sequence Repeat)标记研究了柑桔属的系谱关系,发现两个柚的品种遗传差异明显,23个引物分别产生了相对其他柑桔类4个与7个特异的ISSR片段。二者的相似性值为0153,低于其他柑桔类品种间的相似性值,说明柚类具有较高的遗传多样性17。利用分子标记对栽培植物的起源与演化、 遗传和变异的研究,不但在学术上具有重要意义,对于植 物遗传资源的开发利用也奠定了基础。2 栽培植物遗传多样性的历史与地理分布栽培植物有一个人工驯化与引种迁移的过程,所以其遗传多样性的分布规律与自然植物有很大的不同。Harkes(1983)的综述表明农业起源于4个主要地区:中国北部、 亚洲西南部、 墨西哥南部、 秘鲁;农 作物的多样化中心有10个主要地区和8个次要地区18。随着农业的发展,农作物的引种迁移已在全世 界范围内进行。 利用分子标记技术对农作物遗传多样性的历史与地理分布进行研究,将更具体有效地反 映这些问题。N Goran等利用RA PD、RFL P标记技术研究可可树(T heobrom a cacaoL. )在南美洲的分布,二者相 互映证,客观评价了可可树在南美的分布及引种迁移状况,并对其部分类型的分类失误提出了质疑19。661武 汉 植 物 学 研 究 第18卷 Hormaza等利用RA PD标记研究了阿月浑子(P istacia vera)来源不同的15个栽培品种的遗传多样 性,通过聚类分析,并结合历史与地理记录,结果证实了阿月浑子起源于其当前的自然分布区并通过引种栽培而分布到中东的地中海区域的假说20。仍以柚为例,我国栽培的柚类品种(系)达100个以上,遍及我国十几个省、 市,特别是华南、 西南分布较多。除此以外,在我国还分布有柚的野生近缘种红河大翼橙,广泛分布的野生杂树(weedy plant)酸 柚,以及柚类与其他柑桔属植物的杂种21。但其遗传资源的系谱关系及历史与地理分布还不清楚,各地引种盲目,制约柚类种质资源的开发利用。利用分子标记技术对其进行追踪调查与研究,将有大量的工 作要做。3 栽培植物遗传多样性动态栽培植物在人类的引种驯化过程中,由于自然选择与人工选择,其形态与遗传特性发生根本的变化。M ayr曾指出,遗传上的大变革可能会发生在仅带有亲代物种基因的有限样本的创建种群中22。虽 然栽培植物在人为条件下不一定完全符合创建者原则,但至少也有这种倾向。 栽培植物也与野生种之间不断发生基因交换(基因流),栽培品种之间的基因交换更是普遍。基因交换可能是一把双刃剑,一方面可能丰富栽培植物的遗传多样性,另一方面又可能影响品种的优良属性。 利用遗传标记研究栽培植物的遗传多样性的动态具有重要意义。W ilson等利用等位酶标记研究了葫芦科一野生种与栽培植物Cucurbita agy rosperm aHuber之间 的基因交换,而使其变苦23。实际上这种通过花粉传播的种间杂交而发生基因渗入现象在葫芦科植物中非常普遍。A rias等利用RA PD标记研究了向日葵的栽培种与其野生种之间的相互关系,发现RA PD的遗传 一致度非常高(I= 01976到I= 01997),从而推测向日葵的现代栽培品种是由老的品种与向日葵的野生地理宗通过种间杂交形成的24。4 特异种质资源的发掘、 鉴定与利用植物分子生态学理论与方法的应用,对特异种质资源的发掘、 鉴定与利用开辟了广阔的前景。不管是野生稻还是野生番茄,都含有丰富的遗传资源,如抗旱、 抗涝、 抗病虫害基因。在我国野生稻 的分布区发现其旱生类型,在旱生稻的育种上已发挥作用。有一个典型的例子,为了预防水稻草丛短缩病,国际水稻研究所在一个野生稻变种O ryza nivara的一个种群中筛选出3个抗性植株,获得一个抗性基因,通过育种导入IR36中,在70年代初期育成了著名的水稻品种IR36。野生亲缘种中利用最多要数番茄的野生亲缘种,如Lycopersicon peruviunw n是遗传变异最大的番茄野生亲缘种,它能抗各种害虫,是最丰富V c潜在源;L.pennellii原产秘鲁西部,喜干旱,具有抗旱基因和提高V a、V c及含糖量的基因。没有野生遗传资源的利用,现代番茄是不会存在的。随着遗传工程技术的发展,DNA重组技术为植物遗传改良提供了一条新途径,为野生遗传资源的 开发利用提供了技术支持。 但这有赖于利用分子标记技术对植物种质资源的遗传背景进行研究,对特异 基因进行摸底调查和定位,以利于特异基因的筛选利用。5 转基因植物的环境释放与生态影响随着基因工程植物的不断涌现,转基因植物的生态适应性及安全性成为一个全新的问题,特别是转基因的环境释放与生态影响逐渐引起人们的重视,利用分子标记技术对这些问题的监控与评价为植物分子生态学的研究提供了一个新的领域。 研究发现,转基因植物的工程基因能够通过作物与杂草之间的杂交而逃逸,甚至通过细菌或病毒而传播25。转基因植物对环境的潜在影响包括: (1)产生新的有毒或变态性物质; (2)植物病原体特别是病毒或 类病毒的变异来源; (3)除草剂抗性传播给杂草或转基因植物本身成为杂草。 为了排除或降低这些影响,761 第2期 彭少麟等:栽培植物的分子生态学研究概况应制订严格的转基因植物栽种规则,控制转基因植物的随意丢弃;随时监测工程基因的