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辽东冷杉的光能和水分利用效率及其种源遗传变异规律研究

【摘要】:辽东冷杉(Abies holophylla)是我国东北地区温带针阔混交林中的主要用材树种之一,作为处于群落演替后期的针叶树种,幼苗期生长缓慢,这使其遗传改良和苗木培育过程也变得十分缓慢,不利于开发利用。此外,目前天然林中辽东冷杉资源急剧减少,林相破碎,已到了濒危边缘,生境片断化严重,亟需得到保护。本研究分别以不同种源辽东冷杉天然更新幼苗、种子和温室幼苗为试验材料,用DNA分子标记和序列分析技术研究了辽东冷杉种源内和种源间的遗传多样性及遗传结构,分析了不同种源辽东冷杉种子品质的差异及其变异模式,在温室控制条件下研究了不同种源辽东冷杉幼苗的光能利用效率和水分利用效率并提出了幼苗天然更新机制和育苗建议,以期阐明辽东冷杉光能和水分利用效率的种源差异和对环境胁迫的生理生态响应机制以及辽东冷杉的种源遗传变异规律,为辽东冷杉苗木培育和资源保护提供理论基础与技术支持。主要研究结果如下:(1)辽东冷杉在物种水平上具有较高的遗传多样性,种源水平的遗传多样性较低。在物种水平上,多态位点百分率PPL=79.58%,观测等位基因数Na=1.7958,有效等位基因数Ne=1.3849,Nei's基因多样性H=0.2284,Shannon信息指数I=0.3488;种源平均PPL=52.08%,Na=1.5208,Ne=1.3303,H=0.1889,I=0.2796。辽东冷杉种源间的遗传分化程度较低,遗传分化主要存在于种源内部。6个种源的基因分化系数Gs0.1731,分子变异分析(AMOVA)也表明种源间的遗传变异仅占总变异的13.32%。种源间的基因流Nm=2.3891,相对较高。片断化分布时间较短可能是造成辽东冷杉种源间遗传分化程度较低和基因流较高的原因。辽东冷杉6个种源的遗传距离平均值为0.0603,遗传一致度平均值为0.9415,清原种源与宽甸种源遗传距离最小,与抚松种源遗传距离最大,遗传一致度则相反。聚类分析将地理距离相近的种源聚在一起,表明辽东冷杉6个种源遗传距离与地理距离有明显的相关性。(2)辽东冷杉6个种源的rDNA ITS序列总长度均为1355bp,其中ITS1、ITS2和5.8S rDNA序列长度分别为1162bp、71bp和162bp,种源间无长度差异。rDNA ITS序列中只有8个碱基变异位点,均位于ITS1序列上,碱基变异类型为碱基转换或颠换。ITS1和ITS2序列中的(G+C)含量分别为60.24%-60.59%和58.60%,种源间(G+C)含量差异极小。种源间遗传距离平均值仅为0.0023,其中清原种源和宽甸种源的遗传距离最小。上述结果均表明辽东冷杉种源间亲缘关系较近,遗传变异程度较低。系统发生树将地理距离相近的种源聚在一起,这与ISSR分析所得的结果一致。(3)7个种源辽东冷杉种子在表型性状、萌发特性和营养成分等3类品质指标间存在极显著差异(P0.01)或显著差异(P0.05)。种子的长度与萌发特性(发芽势和发芽指数)等品质指标对种子品质的影响最大。种子的饱满程度和萌发特性显著相关(P0.05)。种子的品质变化规律主要表现为纬度变异模式。(4)随着光照强度的减弱,6个种源辽东冷杉幼苗的C02同化能力大幅度下降,而光能利用能力则显著增强,同时呼吸消耗水平显著降低。辽东冷杉幼苗叶片C02同化能力、光能利用能力和呼吸消耗水平在不同光照强度下均存在显著的种源间差异,这些变异主要受种源自身的遗传因素控制。对光照强度变化的敏感度不同引起了辽东冷杉幼苗种源间光合特性的显著差异,而敏感度与种源地的年温差、1月均温和年均蒸发量的关系最为密切,说明种源地的温度范围和有效降水量可能是影响辽东冷杉幼苗光合可塑性的主要因素。辽东冷杉幼苗通过降低生长、改变生物量的分配方式、提高光合色素含量和提高光合作用效率等一系列形态和生理反应策略来适应弱光环境以进行天然更新。全光照条件即不遮荫更有利于辽东冷杉容器幼苗的早期生长。(5)随着水分胁迫的加剧,7个种源辽东冷杉幼苗的WUEL均呈上升趋势,种源间WUEL仅在重度胁迫条件下差异显著(P0.05),在充分供水和轻度胁迫条件下,种源间WUEL的差异并不显著;WUEI和叶片813C也均呈上升趋势,种源间WUEI和叶片613C在3种水分条件下的差异均极显著(P0.01)。从单个种源在3种水分条件下的表现来看,WUEL在水分处理间均存在显著(P0.05)或极显著差异(P0.01),而WUEI和叶片δ13C在水分处理间均存在极显著差异(P0.01)。辽东冷杉幼苗的叶片813C与其WUEL在各水分条件下均有良好的正相关关系,所以叶片813C可以作为筛选高水分利用效率种源的有效指标。辽东冷杉幼苗通过降低生长、改变生物量的分配方式、提高养分利用效率、增强渗透调节能力、减小叶面积、降低蒸腾和提高瞬时及长期水分利用效率等一系列形态和生理反应策略来适应水分胁迫环境。充分供水更有利于辽东冷杉容器幼苗的早期生长。

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