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不同居群栝楼遗传多样性的研究
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摘要
栝楼Trichosanthes kirilowii Maxim.为葫芦科栝楼属植物,雌雄异株,多年生草质藤本,以果实(瓜蒌)、根(天花粉)和种子(瓜蒌子)入药。栝楼在全国各地均有种植,多生于山坡、山谷、灌丛和林缘等温暖湿润的地方,种质资源非常丰富。目前对栝楼的研究多集中在栝楼属植物的分类、不同栽培种的比较鉴别、药材真伪品的鉴别、从药用部位(根及种子)中提取核糖体失活蛋白以及天花粉的临床应用等。以采集于不同地区的野生栝楼为材料,系统地对不同居群栝楼的物候期进行观察比较,并从形态学、组织学、孢粉学和生化学等方面研究栝楼种内不同居群遗传多样性的研究尚属首次。
     本研究从河南、河北、湖北和贵州等地共采集了14个居群的野生栝楼资源,对其进行物候期的观察比较。另外,对形态学、组织学、孢粉学和生化学等方面得出的结果进行主成分分析和聚类分析,综合探究了栝楼种内不同居群的遗传多样性,并对14个居群栝楼的亲缘关系进行了推测。
     1.全面地对不同居群栝楼的物候期进行观察比较,发现不同居群栝楼的芽膨大期、芽开放期、展叶期和展叶盛期较为一致,不同居群栝楼的现蕾期及盛花期有较大差别。栝楼发芽与展叶的时期多集中在3月份,开花期在5~6月份,果实成熟及采摘期在10~11月份,落叶期则从11月下旬持续到12月底。栝楼的结果期一般在151.5~173.5天之间,全生育期一般在275~294.7天之间,不同居群之间的结果期与全生育期差异较大。
     在生产上,10℃是栝楼芽膨大和开放的最低温度,25℃是栝楼开花的最适温度。在品种选育时,如要以果实早熟为培育目标,则应选择发芽较早,果实成熟较早的品种。如要以景观植物为选育目标,则应该选择展叶盛期持续时间长,落叶较晚的品种。
     2.不同居群栝楼的植物学性状均存在较大的变异,这种变异不仅体现在不同居群中,还体现在同一居群的不同植株中,反映出栝楼丰富的遗传多样性。
     对植物学性状的调查结果进行主成分分析,反映栝楼整体性状信息贡献率最大的3个主成分,其累计贡献率仅为44.46%,未达到累计贡献率应大于80%的认可标准,反映不了原始变量的全部信息。通过聚类分析将14个居群栝楼归为3类。
     3.首次对不同居群栝楼的叶表皮进行显微观察,观察发现不同居群栝楼叶表皮的细胞及气孔形态高度一致,而不同居群栝楼的表皮细胞和气孔的大小、气孔指数有差异。叶表皮气孔及表皮细胞形态、气孔密度和气孔指数可以作为栝楼遗传多样性研究的指标。
     4.针对前人多将栝楼放在葫芦科、栝楼属和瓜类的大范围中进行研究,本研究主要侧重于对栝楼种内不同居群的花粉形态进行比较观察。研究发现花粉形态、表面纹饰和萌发沟类型高度一致,而花粉大小、萌发沟的数目及长短不同。花粉形态和表面纹饰是不同居群作为同种植物所具备的共同特征;花粉大小及萌发沟形态的差异则体现出不同居群的差异,可以作为研究栝楼遗传多样性的指标。
     5.对不同居群栝楼种子可溶性蛋白质及叶片酯酶同工酶电泳进行研究,发现在蛋白质电泳图谱中不同居群栝楼存在2条共有谱带,YC、XY-2和Gz分别存在1条本身特异的谱带。不同居群栝楼种子可溶性蛋白质电泳谱带相似系数在0.316~1.000之间。在酯酶同工酶电泳中不同居群栝楼存在1条共有谱带,NX-1和XH分别存在1条本身特异的谱带。不同居群栝楼叶片酯酶同工酶电泳谱带相似系数在0.400~1.000之间。2份电泳图谱中的谱带均具有多态性。蛋白质电泳很好地反映出不同居群的采集地与亲缘关系之间的相关性。
     6.综合考虑5个聚类结果,同采集于河南内乡的NX-1、NX-2 5次都被分成一类,二者的亲缘关系较近,且能稳定的表现在基因及外在形态上。XY-2和HC的亲缘关系最远。
Trichosanthes kirilowii Maxim. is one kind of dioecism liana in cucurbitaceae. Its fruit, root tuber and seed are traditional Chinese materia medica. T. kirilowii grows in hillside, valley, brushwood, forest edge etc... It can be planted in most parts of China, so that the germplasm resource is really rich. The current research on T. kirilowii is focus on the classification of Trichosanthes., comparison of different cultivated species, identification of true or false medicinal, extraction of RIPs from T. kirilowii, and clinical application of Tianhuafen, etc... In this study, the observation of phenophases on different populations of T. kirilowii, and analysis of genetic diversity and sidship of different populations of T. kirilowii from morphology, histology, palynology and biochemistry were conducted.
     We collected 14 populations of wild T. kirilowii from Henan, Hebei, Hubei and Guizhou provinces. Phenophases and botanical characters of different populations of T. kirilowii were observed. Beside, the genetic diversity of different populations of T. kirilowii was studied on the level of morphology, histology, palynology and biochemistry. And, the sidship among 14 populations of T. kirilowii was speculated. Following are the results:
     1. The phenophases of different populations of T. kirilowii were observed. The budding phase, leafing phase, peak leafing phase of 14 populations of T. kirilowii are almost the same. But, flowering phase and peak flowering phase of different populations is quite different. The budding phase and leafing phase occur in March. The most populations' flowering phase start from early May, a week later, they enter into peak flowering phase. Fruiting phase is form late October to November mid-term, and leaf falling phase is from late November to December. The fruit season of T. kirilowii is from 151.5 to 173.5 day, and whole duration is from 275 to 294.7 day. The significant difference could be found among 14 populations.
     10℃is the lowest temperatures for bud expanding and openning of T. kirilowii, and 25℃is the optimum temperatures for flowering of T. kirilowii. If the goal of seed-breeding is fruit harvest, we can select the varieties whose fruit maturity is earlier. If the goal of seed-breeding is oranament, we can choose the varieties whose leafing phase is longer and leaf falling phase is later.
     2. 48 botanical characters of different populations of T. kirilowii were analyzed. The variation of mostly botanical characters is great. The variation not only exists in different populations of T. kirilowii, but also in different plants in the same population.
     48 botanical characters were analyzed by principal component analysis. The result showed that the cumulated variance contribution ratio of the firstly three principal components is 44.46%. It can't represent the whole message of original variables. The 14 populations could be divided into 3 types by clusting analysis.
     3. The observation of leaf epidermis of different populations of T. kirilowii was conducted for the first time in the research of T. kirilowii. Different populations are similar in morphology of stomata and epidermal cell, but different in size and density. The results showed that the morphology of stomata and epidermal cell could be the common character of T. kirilowii, and the size and density differences between geographical populations could show their species biodiversity.
     4. The observation of pollen morphology of different populations of T. kirilowii was conducted for the first time in the research of T. kirilowii. Different populations are similar in shape and surface omamentation, but different in body size and germinator. The results indicated that the morphology of shape and surface omamentation could be the common character of T. kirilowii, and the difference in size and germinator between geographical populations could show the species biodiversity.
     5. The electrophoresis pattern of proteins and esterase isozyme were analyzed. Different populations had not only common bands, but also specific bands. The electrophoresis pattern of proteins showed that the genetic relationship is related to region.
     6. The results of 5 clusting analysis were compared. The result showed that the sidship between NX-1 and NX-2 was the nearest, and the sidship between XY-2 and HC was the furthest.
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