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小蓬草入侵地和原产地种群的遗传多样性和种群结构

期刊:journal of plant ecologyDOI:10.1093/jpe/rtac016

本研究由Saurav Bhattacharya(常熟理工学院生物与食品工程学院)、Fernando Hernández(阿根廷国立南方大学农学系)、Mariana Ferreira Alves(巴西坎皮纳斯州立大学植物生物学系)等来自中国、阿根廷和巴西的研究团队合作完成,成果发表于2022年2月的《Journal of Plant Ecology》(牛津大学出版社出版),题为《Genetic diversity and population structure of invasive and native populations of Erigeron canadensis L.》。

学术背景

该研究聚焦于入侵植物小蓬草(Erigeron canadensis,英文名horseweed)的遗传多样性与种群结构。作为全球十大恶性入侵杂草之一,小蓬草原产于北美,19世纪60年代首次在中国山东烟台记录,现已扩散至中国28个省份。其入侵机制涉及快速适应、种子长距离传播(单株可产20万粒种子)及除草剂抗性进化。尽管已有研究报道其低遗传多样性,但针对纬度/气候匹配的原生地(美国阿拉巴马州)与入侵地(中国江浙地区)的遗传对比尚未开展。本研究旨在通过微卫星标记(SSR)揭示:(1)相似气候带下入侵种群是否经历遗传瓶颈;(2)入侵过程中的遗传混合模式及其对管理策略的启示。

研究流程与方法

1. 样本采集与处理

研究选取5个原生地种群(美国阿拉巴马州)和5个入侵地种群(中国江苏、浙江),共计312个个体。采样策略覆盖南北梯度:原生地分北(HV、BH)、中(COS)、南(TR、EP)三区,入侵地对应设置北(XY、JH)、中(JY)、南(CS、HY)采样点。每个种群采集35-40株健康叶片,硅胶干燥后-18°C保存,确保个体间距>10米以避免近亲样本。

2. DNA提取与SSR分析

使用天根植物基因组DNA提取试剂盒提取DNA。从12对已发表的小蓬草微卫星引物中筛选出10对高多态性(PIC>0.5)位点进行扩增。PCR采用M13尾标记荧光引物,反应体系含20 ng模板DNA、1×缓冲液和Taq酶,循环条件包括94°C预变性5分钟,30轮扩增(94°C 50秒/55°C 45秒/72°C 1分钟),15轮附加循环(52°C退火),最终72°C延伸10分钟。产物经ABI3730xl测序仪分析,GeneMapper 4.0软件进行等位基因分型。

3. 遗传多样性分析

通过GenAlEx 6.4计算等位基因数(Na)、有效等位基因数(Ne)、私有等位基因数(Pa)、期望杂合度(He)和观测杂合度(Ho)。FSTAT 2.9计算等位基因丰富度(Ar)和近交系数(Fis),自交率(S)按公式S=2Fis/(1+Fis)估算。采用SPSS 16.0进行独立样本t检验比较区域间差异。

4. 种群结构与基因流分析

  • AMOVA:评估遗传变异在种群内、种群间及区域间的分布比例。
  • Fst与Nm:计算种群间遗传分化指数(Fst)和迁移率(Nm)。
  • Mantel检验:检验遗传距离与地理距离的相关性。
  • PCoA与UPGMA:基于遗传距离进行主坐标分析和聚类。
  • Structure分析:使用贝叶斯聚类(K=1-10,20次重复)识别遗传组分,通过CLUMPAK整合结果。

主要结果

  1. 遗传多样性:入侵种群与原生种群的遗传多样性无显著差异(He:0.57 vs. 0.63,p=0.194;Ar:5.34 vs. 6.06,p=0.282)。例如,入侵种群XY的私有等位基因达14个,原生种群COS为21个。高自交率(入侵地0.88-0.96,原生地0.81-0.95)表明其以自交为主,但部分种群(如原生EP,Ho=0.16)显示异交迹象。

  2. 种群结构:AMOVA显示76%变异存在于种群内,区域间仅占10%。Structure分析(K=2)将入侵种群分为南北两簇:北部(XY、JH)与中南部(JY、CS、HY),后者存在明显混合个体。原生种群同样呈现两簇结构,但混合程度较低。PCoA进一步验证了这一格局,第一主成分(11.8%)分离原生种群与入侵中南部种群。

  3. 基因流:入侵种群间基因流(Nm=3.435)高于原生种群(Nm=1.537),尤其CS-JY间Nm高达20.795,显示长江未完全阻隔基因交流。Mantel检验未发现显著隔离-距离效应(入侵地rxy=0.53,p=0.117)。

结论与意义

本研究首次证实:在气候匹配的纬度带内,小蓬草入侵中国江浙地区未经历遗传瓶颈,其高遗传多样性可能源于多次引入或多样化繁殖体的混合。种群结构分析表明入侵过程伴随遗传混合,而人类活动(如种子运输)可能促进跨长江的基因流动。科学价值在于:(1)为入侵生物学的“多次引入假说”提供实证;(2)揭示地理屏障对入侵物种的有限阻隔作用。应用层面提示需监控种子扩散以防止抗除草剂基因传播,并为区域性防控策略制定提供依据。

研究亮点

  1. 方法创新:结合SSR标记与空间显式分析,首次对比纬度匹配的原生-入侵种群遗传格局。
  2. 发现突破:挑战了自交物种入侵必伴随遗传损失的认知,揭示小蓬草通过混合繁殖维持适应性潜力。
  3. 管理启示:强调长江沿岸需加强检疫,阻断抗性基因扩散路径。

其他价值

研究数据可通过补充材料获取,包括采样点坐标、气候数据及引物序列,为后续跨纬度入侵研究提供基准。国际合作模式(中-阿-巴)也为全球入侵生物学协作树立范例。

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