分子生態(tài)學在森林植物生態(tài)學中的應用

分子生態(tài)學在森林植物生態(tài)學中的應用

以1992年出版的《莫隆生態(tài)》為代表的分子生態(tài)學是新的分子基礎和分子機制的新理論。它是20世紀90年代以來研究生命系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)之間相互作用的新學科。分子生態(tài)學還包括生態(tài)理論的許多分子原則。從遺傳因素、蛋白質(zhì)、酶等生物分子活動規(guī)律出發(fā)，闡明生態(tài)規(guī)律的發(fā)展、生態(tài)過程、適應和發(fā)展的過程。分子生態(tài)學以森林植物群落生態(tài)、群落內(nèi)和群落之間的遺傳關(guān)系和遺傳分化為研究對象，流放遺傳多樣性，森林植物生態(tài)、生態(tài)適應和生態(tài)發(fā)展為新手段和新思想。1分子生態(tài)學研究植物在不同生境和不同生態(tài)因子條件下的生理生化(光合作用、呼吸作用、蒸騰作用、能量代謝、物質(zhì)生產(chǎn))過程、生長發(fā)育過程,植物在逆境條件下的抗逆性(如抗低溫、抗水濕、抗病蟲、抗鹽堿、耐陰性、抗貧瘠、抗高溫等)以及植物種群內(nèi)外的基因漂流,種群間和種群內(nèi)遺傳多樣性、親緣關(guān)系及其穩(wěn)定性均具有相應的分子基礎、分子機制、分子適應、分子進化或基因調(diào)控機理.另外,植物群落的生態(tài)演化、生態(tài)適應以及種群結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系、群落內(nèi)相互作用的遺傳變異過程均可以追逐到分子水平上.分子生態(tài)學是主要應用分子生物學的原理與方法研究生命系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)相互作用的生態(tài)機理及其分子機制的科學.分子生態(tài)學研究的重點在于生態(tài)學研究中宏觀與微觀的緊密結(jié)合,生態(tài)現(xiàn)象和內(nèi)在的分子作用機制的揭示.雖然分子生態(tài)學不是很成熟,但它具有自己獨特的研究內(nèi)容.分子生態(tài)學以生物大分子(蛋白質(zhì)或DNA)的遺傳變異及其核內(nèi)、胞內(nèi)、小環(huán)境及大環(huán)境因素的響應機制為主要研究對象,以群體遺傳學、生態(tài)遺傳學為主要理論基礎,吸收經(jīng)典遺傳學的思想與方法,充分運用等位酶、RAPD、AFLP、RFLP等遺傳標記和蛋白質(zhì)、DNA測序技術(shù)、分子雜交、分子克隆、單抗體技術(shù)以及基因組學和蛋白質(zhì)組學的相關(guān)技術(shù)研究分子進化的規(guī)律及其與環(huán)境影響、脅迫的關(guān)系規(guī)律[12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23].2rapd和分子生態(tài)學研究生物種群的種群內(nèi)和種群間遺傳關(guān)系的揭示對物種種群地理分布歷史、基因頻率變化、基因突變、基因漂流、物種擴散、物種進化、生態(tài)適應性、生殖隔離及物種形成的揭示提供重要的理論依據(jù).而遺傳關(guān)系的變化通?？勺分鸬降鞍踪|(zhì)和DNA分子水平上的差異和變異,即可以用蛋白質(zhì)和DNA的多態(tài)性來反映種群的分子水平上的動態(tài)變化.用RAPD分析法研究毛烏素沙地6個檸條種群的遺傳關(guān)系發(fā)現(xiàn),檸條群體內(nèi)個體間(82.4%)的分子水平上的變異遠遠大于不同種群(17.6%)之間的變異,得出了毛烏素沙地檸條群體之間存在著強大的基因流的結(jié)論,而且在研究中還發(fā)現(xiàn)有些RAPD擴增片段的頻率在檸條群體間有規(guī)律地變化,推測這些DNA擴增片斷有可能有著特殊的生態(tài)學意義.對過渡帶堿蓬的5個亞種群的RAPD分析結(jié)果表明,有72.32%的遺傳變異存在于亞種群間,說明堿蓬亞種群間基因交流較低.對西鄂爾多斯高原的瀕危植物四合木Tetraenamongolica種群和生長于同一生境的霸王Zygophyllumxanthoxylum種群的分子生態(tài)學分析表明,瀕危植物四合木種群遺傳多樣性水平低于霸王種群,多態(tài)位點百分率分別為60%和83.3%,等位基因平均數(shù)為1.6和2.2,平均期望雜合度為0.245和0.392,基因分化系數(shù)分別為0.051和0.020,種群間遺傳分化不明顯,這一結(jié)果說明不同類型的瀕危植物具有不同的生態(tài)遺傳含義,采取的保護措施也不盡相同.有的學者利用等位酶分析法研究銀冷杉與遷移歷史相關(guān)的地理分布的遺傳變異,用15個等位酶系統(tǒng)分析了西西里冷杉的分類學位置和起源,結(jié)果為西西里冷杉在分類上作為一個獨立種提供了依據(jù).用微衛(wèi)星DNA和葉綠體DNA的多樣性來揭示巴西胡椒在美國的引種歷史,引入種群和原產(chǎn)地天然林分子水平上的遺傳多態(tài)性分析結(jié)果表明,美國胡椒來自于不同的兩個原產(chǎn)地天然林種群.利用分子生態(tài)學的方法研究撐蒿竹的群體遺傳分化研究表明,種群間基因分化系數(shù)大于0.1,表明撐蒿竹不同群體之間的分化較大,遺傳多樣性較高.對翅果油樹的分子生態(tài)學研究表明,種群間的遺傳距離或遺傳一致度與地理位置上的遠近存在一定的正相關(guān)性,根據(jù)間接法獲得的基因流為37,說明即使翅果油樹任何兩個種群之間的地理距離超過60km,但種群間仍然存在很高的基因流.3rapd位點與水鹽生態(tài)因子的關(guān)系生態(tài)適應和生態(tài)進化是生命系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)在相互作用的生態(tài)過程中產(chǎn)生的特有現(xiàn)象.生態(tài)適應使生命系統(tǒng)不同層次的特征發(fā)生適應環(huán)境和不適應環(huán)境的變化.森林植物種群在長期的生態(tài)適應過程中形成了相應的形態(tài)特征、生理代謝特征,并在變化著的環(huán)境中產(chǎn)生相應的生態(tài)進化趨向.因此,生態(tài)適應和生態(tài)進化不僅受環(huán)境因素的調(diào)節(jié),還受微環(huán)境的影響.遺傳分化和形態(tài)分化的分子基礎和分子機理揭示種群分子進化和分子適應有非常大的幫助.對堿蓬的RAPD多態(tài)性位點和環(huán)境因素的相關(guān)性進行研究結(jié)果表明,RAPD多態(tài)性位點與土壤電導率、含水量和Mg++呈顯著正相關(guān),研究中得出沙漠綠洲過渡帶中的堿蓬種群已經(jīng)發(fā)生明顯的遺傳變化,這種變化與地理位置無關(guān),而與其所處的微生境有關(guān),長期對微生境的適應和有限的基因交流是導致堿蓬種群分化的可能原因.對冷杉屬植物中核基因組DNA長度多態(tài)性及其在松科系統(tǒng)演化中的研究表明,通過PCR擴增的28種冷杉屬植物的nrDNA的片斷測序研究發(fā)現(xiàn),冷杉屬特異DNA長度的變異模式與形態(tài)特征和地理分布具有密切的相關(guān)性,說明了特異DNA片斷長度變異在冷杉屬生態(tài)適應和植物系統(tǒng)演化中的意義.對蘆葦種群RAPD位點顯性頻率與水鹽生態(tài)因子之間的關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn)水鹽聯(lián)合生態(tài)因子與RAPD位點顯性頻率之間具有顯著相關(guān)性,這說明蘆葦?shù)膶λ}聯(lián)合生態(tài)因子的高度適應具有其分子遺傳基礎,而且這些與生態(tài)因子顯著相關(guān)的RAPD位點很有可能使蘆葦在對生境的適應性中起著重要作用.對7個野生櫻桃種群的分子生態(tài)學研究表明,不同種群間因地理位置和海拔而存在很大的差異,至少有51.4%的RAPD片斷表現(xiàn)有差異,也有一部分RAPD片斷在不同種群中有固定的趨勢,群體內(nèi)基因變化指數(shù)為0.1441,種群內(nèi)個體間遺傳距離只在0.089～0.149之間,大量的基因流動發(fā)生在群體內(nèi),說明地理位置和海拔使山櫻桃種群產(chǎn)生相應的分子水平上的遺傳變異,這樣的生態(tài)隔離效應導致了山櫻桃野生種群朝不同方向的生態(tài)進化.利用22個等位酶系統(tǒng),對膠冷杉A.balsamea分布中心地區(qū)種群和孤立種群的分子生態(tài)學研究表明,在較小、孤立的種群中其遺傳多樣性的水平較低,說明破碎的生境導致物種進化潛力下降.4喜樹熱激反應的分子生態(tài)學研究植物無法逃避外界環(huán)境的脅迫,只能通過對環(huán)境的適應來延續(xù)生命.由于植物抗逆性(包括抗非生物脅迫如鹽堿、干旱、低溫等的能力和抗生物脅迫如真菌、細菌、病毒和線蟲的能力等)遺傳極其復雜,因而植物抗逆性能的提高受到了極大限制.許多抗逆性有關(guān)的基因是屬于誘導表達基因.因此,可以通過森林植物生理特性、遺傳組成和環(huán)境脅迫的關(guān)系,用分子生態(tài)學的方法和手段分離克隆抗逆性有關(guān)的基因,從而揭示植物種群的逆境適應性的分子基礎和分子機理.用0‰鹽度海水(自來水)和50‰鹽度海水處理福建九龍江口龍海紅樹種子后進行沙培,通過mRNA差異顯示系統(tǒng)分離鑒定了1個與抗鹽相關(guān)基因,通過蛋白質(zhì)分離鑒定法分離了3個抗鹽相關(guān)蛋白,為紅樹抗鹽性的分子機理研究奠定了基礎.對喜樹幼苗進行不同程度熱激處理后,利用功能蛋白質(zhì)組學理論和手段,分離簽定了5個熱激反應中具有生態(tài)適應功能的蛋白,還探討了喜樹熱激代謝分子調(diào)控機理,總結(jié)了喜樹熱激反應的分子生態(tài)學機理.胡楊Populuseuphratica長期生長在鹽漬化和干旱的土壤中,對高鹽和干旱形成了很強的適應能力,是典型的耐鹽抗旱植物,利用分子生態(tài)學的理論和手段,目前已經(jīng)從胡楊中分離鑒定了抗鹽相關(guān)基因和抗鹽調(diào)控基因,為研究胡楊豐富的抗鹽抗旱基因資源的開發(fā)及其抗鹽抗旱調(diào)控機制的揭示提供了理論依據(jù)[49,50,51,52,53,54].植物對低溫脅迫的響應并非是完全被動的反應,而是一種積極主動的應激過程.低溫可誘導相關(guān)基因的表達,近年來多種植物中均發(fā)現(xiàn)與低溫脅迫有關(guān)的基因以及基因表達產(chǎn)物.高等植物對水分脅迫的耐受性在一定程度上具有相同的分子基礎,很多基因的表達受水分脅迫的誘導,目前已經(jīng)通過水分誘導分離鑒定了耐水相關(guān)的基因,如滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成所需基因、控制離子及水分流動的蛋白基因以及合成清除氧自由基所需物質(zhì)的基因,對植物耐水研究具有特別重要的意義.5土壤微生物群落多樣性微生物是一類種類繁多、分布廣泛的生命體.微生物多樣性在維持生物圈生態(tài)平衡和為人類提供大量未開發(fā)的生物資源方面起到了重要作用.在森林生態(tài)系統(tǒng)中廣泛存在著由多個微生物種群構(gòu)成的“微生態(tài)系”,是微生物群落和由某一優(yōu)勢微生物種群自我控制的生態(tài)關(guān)系.在森林植物群落中微生物起著重要作用,具有分解有機質(zhì)、為植物提供養(yǎng)分的功能,又為控制植物病蟲害和其他真菌生物防治提供一條有效途徑.因此微生物群落多樣性對森林植物群落的養(yǎng)分循環(huán)和森林群落穩(wěn)定性起著重要作用,對于森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復也起著重要作用.同時微生物是生態(tài)系統(tǒng)健康的指示物,如在新疆,與荒漠植物長期協(xié)同進化形成的耐高溫、耐鹽堿、嗜冷、嗜酸的優(yōu)勢微生物種群.由于森林群落分布、地理位置、氣候、林地環(huán)境、人為干擾(如砍伐、火燒)、動物活動等的生態(tài)因子的多樣性,對林地生態(tài)系統(tǒng)的微生物群落的結(jié)構(gòu)組成有著很大的影響.分子生態(tài)學研究顯示,外生菌根真菌在松林4個不同土壤層垂直分布有顯著差異,基因簇分析顯示外生菌根真菌在6個基因簇中都存在,具有廣泛的底物利用模式.外生菌根真菌群落多樣性產(chǎn)生的空間分隔是林地土壤層差異的主要原因,而這種分隔會隨著季節(jié)和其他干擾因子的改變而改變.用PCR-SSCP方法研究了植物對土壤微生物群落的動態(tài)變化及植物對土壤微生物群落的影響.分子生態(tài)學在土壤微生物多樣性、微生物區(qū)系分子組成及變化規(guī)律以及微生物系統(tǒng)進化研究方面取得了重大突破.6森林植物種群、群落分子活性及功能分子過程與作用研究當今時代分子生物技術(shù)蓬勃發(fā)展,已經(jīng)滲透到生命科學的各個領(lǐng)域.分子生態(tài)學將對森林植物種群和群落研究中帶來無限生機.目前,森林生態(tài)學的研究者在許多方面開展了有益的探索和研究,尤其是在森