同质园种植下多种源银缕梅叶片表型、光合能力的遗传和非遗传分化

1、同质园种植下多种源银缕梅叶片表型、 光合能力的遗传和非遗传分化银缕梅 (Parrotia subaequalis(H.T.Chang)R.M.Hao&H.T.Wei) 为中国特有 的金缕梅科落叶小乔木 , 因其特殊的分类学地位和狭窄的野外分布范围而被列为 国家I级重点保护植物,亦被国际自然保护联盟(IUCN)认定为极度濒危物种。导 致银缕梅濒危的肇因较多 , 外因如气候变化、 人为砍伐、生境丧失; 内因则有授粉 困难、结实率不高、光合竞争力较低等。作为金缕梅科系统发育研究的关键物种以及极小种群物种 , 相关研究多集中 在其野外生存现状、种群结构及空间分布、种间关系、野生植株繁育、迁地保

2、护 及绿化应用、 人工繁育、引种栽培及种子营养成分分析、 遗传分化及表型分化等 方面。而作为近年来引起关注的色叶树种之一 , 银缕梅叶片生理特征、光合功能 及秋季叶色转变等方面的生理生态学研究目前仍不多见 , 本文以银缕梅自然分布 区的7个代表种源个体在同质园种植下的苗期叶片为研究材料 ,对其叶片表型性 状、叶片色素含量及光合作用等进行测定 , 揭示秋季银缕梅叶色转变的生理生化 基础;并进一步通过转录组测序对色素合成、 光合生理等相关基因进行锚定 ,分析 其表达水平在各种源地植株间的异同 , 筛选出控制银缕梅叶色形成的关键基因。主要研究结果如下 :1. 种子发芽、植株生物量积累及叶片元素含量分

3、析表明 , 安徽金寨燕子河大峡谷(AJY)的银缕梅种子发芽率(GR,Germination Rate)、田间 出苗率(SR,Survival Rate) 及叶片碳、氮、氢元素含量最高、发芽势 (GE,Germination Energy)次高(26%,仅次于最高组27%),表明该种源地银缕梅种 子的活性及萌发能力最强 , 植株对土壤营养元素及二氧化碳的吸收率、同化率也 最高;其余6组种子发芽率、 田间出苗率无显著差异 ,说明发芽齐性良好、 出苗一 致。观测期内 ,7 组萌芽的死亡总数仅占共计发芽数的 2.17%, 属正常偏低水平 ,说明本实验中各种源地银缕梅种子品质良好、同质园环境适宜植株生长

4、 ;2. 对植 株叶片表型性状的测定表明 ,7 组植株的叶形指数 (LI,Leaf Index) 可显著 (p<0.05) 划分为两类 , 分别对应狭长形 (LI=2.0) 和卵圆形 (LI=1.75) 叶片, 该 差异主要与种源地经度相关 ,推测缘于不同分布区域经长期地理隔离 , 产生明显 的形态分化；安徽岳西头陀镇(AYT)植株叶片的叶面积(LA,Leaf Area)、比叶面积 (SLA,Specific Leaf Area) 数值最高, 而叶片厚度 (LT,Leaf Thickness) 、叶干物 质含量(LDMC,Leaf Dry Matter Content)则最低,表

5、明其叶片薄而大,比例较为狭 长, 叶组织水分含量较高 , 而干物质含量较低。江苏宜兴林场(JYL)的植株叶片厚度最大(0.271 ± 0.0025mm)叶面积次大 (11.313 ± 0.7402cm2),表明该地植株的叶片厚而大；此外,种子萌发率最高、发芽 率次高的安徽金寨燕子河大峡谷(AJY)植株的叶片形态指标均处于适中水平;3. 夏季生长期,光响应曲线的拟合结果表明,7组植株的光补偿点位于34-78卩 mol.m-2.s-1区间,光饱和点则在320-500卩mol.m-2.s-1范围内；暗呼吸速率在 1.6-3.5mg(卩l ) h-1 g-1内。分组拟合可知：江苏宜

6、兴林场(JYL)植株叶片的 最大净光合速率最高，而安徽金寨燕子河大峡谷(AJY)最低，江苏宜兴善卷洞(JYS) 次低,表明江苏宜兴林场(JYL)植株的光能利用率(utility rate of luminous energy)最高，且显著高于其他组别；光合作用各项参数和叶绿素荧光参数均表明， 叶绿素含量较高的浙江安吉龙王山(ZAL)、安徽岳西黄尾镇(AYH)、江苏宜兴林场 (JYL) 三组植株利用中强光的能力也更强 ；4. 秋季叶片转色期 , 安徽金寨燕子河大 峡谷(AJY)、安徽岳西头陀镇(AYT)两种源地植株的叶片呈红色(变红度aAJY=53.253± 1.5289;aAYT=5

7、2.96 ± 1.2332);安徽岳西黄尾镇(AYH)叶片为粉红 (LAYH=79.778±0.0319;aAYH=12.543±0.0339); 江苏宜兴林场 (JYL) 、江苏宜兴 善卷洞 (JYS) 种源地植株叶片呈黄色 (变黄度 bJYL=52.303± 1.2953;bJYS=51.643 ±1.6933); 安徽绩溪朱显村 (AJZ) 、浙江安吉龙王山 (ZAL) 叶片则呈紫色 (LAJz=29.323 ±0.1366 bAJz=3.028 ±0.1816;LzAL=29.37 士 0.1044bzAL=3.01

8、3 士 0.2021) 。色素含量检测显示，花色素苷的含量不同是银缕梅叶片在秋季呈现紫色(2.4mg/g)、红色(2 mg/g)、粉红色(1.4mg/g)的主要原因,而类胡萝卜素的含 量(2mg/g)则是叶片呈黄色的主因；5.秋季叶片转色期测得的净光合速率(内置 光源光强 Parln=700 卩 mol m-2 s-1)表明，紫色叶片(PnAJz=8.498 ± 1.2343；PnzAL=8.384±0.5112) 的光合能力显著强于红色 (PnAJY=7.891± 1.0525;PnAYT=6.156 ± 0.3216)、粉红色(PnAYH=7.021

9、土 0.492)叶片，而红色、粉 红色叶片的光合能力又显著强于黄色叶片 (PnJYL=4.506±0.8018；PnJYS=5.312 ±0.2371)。概括而言,光合生理指标最强、次强、最弱的三组分别对应紫色、红 色/粉红色、黄色;地理区域上又分别对应整体分布区的东北部、西部、东南部;6.基于无参转录组测序(RNA-seq)技术对银缕梅四色叶片(紫色、红色、粉红色及黄 色)进行转录组测序分析,利用Illumina二代高通量测序平台,采用PE150测序策 略, 共测得 109112387对原始读取对 (raw read pairs), 经质检、质控筛选得到 106592998对校正读取对 (clean read pairs), 校准率为 97.7%。四色叶片两两设置差异组合,对其读取段(readcount)进行FPKM专换后共鉴 定出 7533 个差异基因 , 按功能相关程度排序、 筛选后找到一些与叶片光合、 呈色 有直接或间接关系、 且表达变异水平较高的短序列 (unigene), 功能涉及编码光系 统I装配蛋白Ycf3(c328128)、光系统U D2蛋白(GeneID:c327135)、蓝光光感受器(GenelD:c324989)、光合电子传递(GenelD:c304440、C327135)、类囊体形成(GenelD:c297542