新疆天山和阿尔泰山拟南芥种群内的表型变异

赵丹，郝晓冉，刘彤，曾勇，孙园园，冯雷

（石河子大学生命科学学院，石河子832000）

自然种群是由性状差异的个体组成的[1]，现代生态学研究不断证明，个体间的表型差异是一种客观存在。同种个体在很多性状上都有差异，例如在形态上、生理上、生活史上、抗虫性、资源利用和竞争能力上[2]，这些差异性能够使种群统计学参数产生差异[3]，并且对种群适应具有重要意义[4]。这些差异为自然选择提供了原材料，是生物进化的基本素材之一[5]。

在群体遗传学和数量遗传学中[6]，种群内变异是最基本的概念，是整个学科理论体系的基础。然而，生态学、遗传学和进化生物学研究时，常常将同种个体的种群或物种视为同质个体的集合，利用性状的平均值来进行分析[7]，显然这对全面剖析物种进化机制上存在很大疏漏。实际上，物种生物性状的平均值只是对自然界中真实存在的个体变异的一种统计描述，其有效性与个体变异的幅度（方差或变异系数）密切相关，在有些生态学过程中，表型性状围绕平均值的变异幅度本身可能比平均值更重要[8]。近年来，对物种种群内表型变异的研究主要针对种实性状、形态特征、果实性状等表型，用来探讨表型性状的多样性、性状之间的相关性及表型变异与地理生态因子间的相关性，以期为种质资源的收集和保存、优质品种的育种策略和物种的推广提供理论依据。目前，关于剖析不同环境内种群内和种群间个体表型特征的变异在种群适应中所起的作用的研究还缺乏足够重视，有待进一步加强。

拟南芥（Arabidopsis thaliana）是植物生物学模型植物，分布范围广，原产于欧洲和中亚，后又扩展到北美洲，生境类型多样，Hoffmann等人研究发现拟南芥原来生长在较冷的气候区，后通过进化将它的生长环境扩展到较温暖的气候区[9]，其生活史也从其近缘种的多年生进化为了一年生，因此，拟南芥种群在其物种范围内经历了不同的自然选择压力，它的表型在这些选择压力作用下对环境产生了不同的适应性，是研究表型变异和适应性的良好材料，其中阐述拟南芥不同居群的遗传变异机制始终是当前研究的热点[10]。

新疆天山山脉是世界拟南芥及其近缘种的分布中心之一[11]，而我们调查发现新疆的阿尔泰山同样具有丰富的拟南芥物种分布。天山和阿尔泰山两地距离近千公里，生境差异较大，He等研究表明阿尔泰山地区拟南芥遗传变异与中国其他地区的拟南芥种群明显不同[12]。陶冶[13]、李磊等[14]通过自然生境拟南芥生长植株的调查研究表明，拟南芥种群间和种群内植株的部分表型差异显著[13-14]。

植物的表型变异主要由遗传和外在环境两个方面因素决定。拟南芥生长发育除受降水、温度、光周期等区域环境影响外，还受到局部地形、土壤理化性质、草食动物、病原微生物以及种内、种间作用等微生境的强烈作用。而采用同质园种植的方法，去除环境诱导的变异，分析遗传变化成为主要方法[15]。为了研究天山和阿尔泰山种群内和种群间个体间差异特征，我们在同质园进行这两个地区拟南芥表型变异对比研究，以了解个体间差异特点，为剖析拟南芥表型变异和种群间遗传分化原因奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究用拟南芥种质取自分布于新疆天山和阿尔泰山。其中阿尔泰山位于中国新疆维吾尔自治区北部，属大陆性半干旱干旱气候，夏季温暖多雨，冬季严寒多雪。拟南芥种群分布区的海拔927-1000 m，年均气温为5.2℃，年平均降水量为191.1 mm左右，土壤含水量偏少，生境较为干旱。优势种为草原苔草 (Carex liparocarpos)、糙叶隐子草(Cleistogenes squarrosa)、絮菊(Filago arvensis)，亦有少量小灌木(如刺叶锦鸡儿等)出现，其他十字花科植物主要有葶苈(Draba nemorosa)、小拟南芥（Olimarabidopsis pumila）。

天山分布种群位于天山西段支脉婆罗科努山的伊犁果子沟地区，年均降水量为515.2 mm左右，土壤含水量大。生境较为湿润，植物种类丰富，优势种主要有勿忘草 (Myosotis sylvatica)、草原苔草(Carex liparocarpos)、密穗雀麦(Bromus sewerzowii)等，亦有少量小灌木(如刺叶锦鸡儿(Caragana acanthophylla)等)出现，其他十字花科植物主要有葶苈(Draba nemorosa)、 小 拟 南 芥 （O.pumila）、 菥 蓂（Thlaspi arvense）、南芥（Arabis borealis）等[14]。

同质园实验样地位于天山北坡垂直带下，石河子大学实验站的试验田中。这一区域是拟南芥近缘种小拟南芥等短命植物主要的分布地带，海拔442 m，年降雨量约为200 mm，年均温度约为8℃。2013年入冬前，将田园土壤换成沙壤土，土层厚度为15 cm。

1.2 方法

1.2.1 拟南芥种质取样

在多年调查基础上于2013年5-6月拟南芥果实成熟期，我们在阿尔泰山山脉取样6个种群（A1、A2、A3、A4、A5、A6），天山取样 6个种群（G1、G2、G3、G4、G5、G6）。分别对以上12个种群进行植株采集，从每个种群中取20-40个表型差异较大的处于果实成熟期植株，清理干净后分单株装入信封，带回实验室对种子进行收集和种子低温贮藏处理。

2.2 拟南芥种群间表型表型分化

研究发现，除莲座叶数外，阿尔泰山拟南芥其他9个表型性状在种群内的方差分量都小于种群间的方差分量，表型分化系数大于50%。开花时间、莲座叶直径、基分枝数和单角果种子数这4个表型分化系数较大。除开花时间外，天山拟南芥其他9个表型性状在种群内的方差分量都小于种群间的方差分量，表型分化系数大于50%。这些表型性状中，莲座叶直径、角果长度和单株角果数这3个表型分化系数较大（表 3）。

表3 拟南芥种群间和种群内性状方差分量及表型分化系数 %Tab.3 Variance com ponents of phenotypic traits and Vst among different Arabidopsis thaliana populations%

莲座叶直径和单角果种子数在两个地区内表型分化系数都较大，这表明，这两个表型性状的变异主要来源于种群间，受环境影响较大。而对于开花时间这一表型性状，表型分化系数在两个地区之间差异较大，阿尔泰山种群为79.9%，天山种群为10%，这表明，阿尔泰山开花时间的变异主要来源于种群间，受环境影响较大。天山种群由于分布环境相对一致，种群间变异较小，种群内的微小变化都会导致表型分化系数较大变化。

2.3 拟南芥种群内表型变异特征

研究发现，阿尔泰山的6个种群中，10个表型性状的平均变异系数之间差异性显著（P＜0.05），其变幅为0.398-0.616，6个种群内，开花时间和角果长度的平均变异系数较小，单株种子数和单株果实数的平均变异较大（表4）。天山山脉的6个种群中，10个表型性状平均变异系数之间差异显著（P＜0.05），其变幅为 0.213-1.215，6个种群内，开花时间和角果长度的平均变异系数较小，单株果实数和单株种子总数的变异系数较大（表5）。这表明，在两个地区中的各种群内，开花时间和角果长度这两个表型特征的变化幅度小，单株果实数和单株种子总数这两个标型特征的变化幅度大。

而对于同一地区的6个种群的平均变异系数来说，两个地区内种群之间平均变异系数差异性都不显著（P＞0.05）。这表明，在两个地区内，各种群的平均变化幅度之间的差异都差不多。

表4 阿尔泰山拟南芥种群的表型性状变异系数Tab.4 Variation coefficients of phenotypic traits in Arabidopsis thaliana populations from Altai Mountains

表5 天山拟南芥种群的表型性状变异系数Tab.5 Variation coefficients of phenotypic traits in Arabidopsis thaliana populations from Tianshan Mountains

3 讨论

在生态学研究中，由于生态学过程的时间尺度相对较短，常常忽略物种群内变异的进化效应。然而进化过程是可以在很短时间内迅速发生的[16]，这种快速进化与生态过程相互作用，构成了完整的反馈环，可能会产生复杂的生态－进化动态，从而导致了复杂的生态效应[17]。而且，具有重要功能的表型性状在种群内和种群间的变异在数量上是相当可观的[18]，虽然有些变异只是环境诱导产生的表型可塑性，也可能是由于遗传变异产生的。

本研究发现，两个地区之间除基分枝数外，其余9个表型性状差异都显著，表明两个地区经过长期的自然选择，表型特征发生了显著遗传变异。对比李磊等[14]发现其小尺度环境下拟南芥10个种群9个性状的方差分析结果与我们的结果相同，表明地区间主要环境因子的差异是以上特征变化的决定因素。

两个地区内种群间表型分化非常明显。阿尔泰山种群在开花时间、莲座叶直径、基分枝数、单角果种子数和单株种子总数上差异性显著，而天山种群仅在莲座叶叶片直径、角果长度两个表型性状上差异显著。联系两个地区生境可以发现，阿尔泰山地区拟南芥分布于裸露的山上，植被盖度低，受外界光照、降水、雨水冲刷等影响较大，微生境变异剧烈[13]。而天山地区拟南芥种群分布环境相对缓和，植被盖度大，降水量相对较多，而土壤含水量高，种群间环境变化不大，而种群内由于土壤营养程度、伴生植物等影响较大[13]。因此可以看出天山与阿尔泰山种群不同的表型分化与生境变化有极大关系。

不同表型特征变化幅度也不一样，且差异很大。箱式图分析发现，单角果种子数和单株种子数虽然大部分植株表现出一定的稳定性，但个别植株存在较大的变异性。开花时间、莲座叶数、角果长度和单角果种子数四个性状的变化随机性大。从地区和种群角度来看，天山种群在单株种子总数、单角果种子数、角果长度、单株角果数、茎分枝数、莲座叶直径表现出较大植株间变化。其中的株高、茎分枝数、单株果实数、单株种子总数的单株表型变化也反映在标准差的变化上。

拟南芥为常自交植物，91-98%自交[19]，所以单个种群内植株间的表型变化反映了适应环境的可塑性和灵活性，而种群间的特征变化反映了环境选择的影响[20]。本研究发现除天山种群的开花时间外，两个地区各种群间的表型分化系数都比较高。而相比而言，开花时间、莲座叶数、角果长度种群间的表型分化系数差异较大，主要受种群间方差分量影响，与这两个种群分布生境联系可以发现，以上三个特征受环境波动极大的影响，尤其是开花时间，由此看出开花时间对拟南芥植株适应的意义。

开花时间的高度变异，明显有助于该物种扩张其生存范围[21]。众多研究表明，不同区域降雨量的差异是导致种群间物候的提前或延迟的重要原因，即在干旱条件下，植物开花时间倾向于定向选择，向着早开花的方向进化。阿尔泰山和天山拟南芥种群的开花时间存在极显著差异性，阿尔泰山种群间开花时间差异性也很显著，相比较而言，天山种群间的开花时间的差异性相对较弱。在阿尔泰山，春季降雨较少，相对较干旱，拟南芥所处微环境异质性较大，拟南芥受微环境影响较大。而天山春季降雨丰富，相对较湿润，拟南芥所处微环境异质性较小，更多地受日照长短等大环境影响。

基分枝数在两个地区之间差异不显著，但阿尔泰山种群之间差异显著，天山种群之间差异显著。阿尔泰山种群内的变异较小而种群间的差异却较大，天山种群内的变异较大而种群间的差异却较小。而就环境而言，在阿尔泰山，环境波动较大，微环境差异很大，而天山地区，环境较均一，因而两地区基分枝数的变异和环境相关性不大。四分位区间在两地区都非常集中，而基分枝数为1出现的频率均为77.2%，大于四分位区间，这表明两地区基分枝数性状稳定，且在野外和试验田观察到，基分枝数鲜有在抽薹期就长出多个基分枝的情况，由此推定，基分枝数是较为稳定的性状，与自然环境相关不大，不易随环境变化而发生变异。

变异系数表征了每个种群内表型性状的变异情况。单株果实数和单株种子数属于决定适合度的关键特征，研究发现两个特征在种群内的变异系数大，且它们在种群间的方差分量大于种群内方差，两表型性状种群间的多样性程度大于种群内，反映出两表型性状受主要环境影响的特点[22]。营养性状如株高、莲座叶直径、莲座叶数和茎分枝数等表型性状的变异系数和表型分化系数都处于中间水平，表明这些表型受环境相对均一条件影响下的统一性。基分枝数是较为稳定的性状，不易随环境变化而变化。

综上所述，种群内和种群间拟南芥的表型均有变异，种群内的变异为植株个体所经历的环境选择压力提供了材料，种群间的表型变异反映了种群在不同环境的适应情况。单株种子数和单株角果数由于与种群适合度直接相关，无论种群间和种群内均表现出大的变异系数和表型分化系数，是两个表型可塑性与遗传变异非常重要的选择特征。开花时间、莲座叶数、角果长度和单角果种子数的变异系数较小，表型分化系数波动较大，表明其主要受环境影响，是表型选择的重要特征。而株高、莲座叶直径、基分枝数和茎分枝数的变异系数和表型分化系数都处于中间水平。因此，通过种群内表型特征的对比分析可以发现，虽然特征都存在不同变异特性，而且大小程度不同，但相对而言，类似基分枝数等特征变异性较低的表型，不容易在天山和阿尔泰山地区产生显著遗传变异，是该特征自身可塑性变化与环境共同作用的结果。

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