冷杉属植物遗传多样性研究进展及面临的问题

孙玉平

摘要介绍了国内冷杉属植物的地理分布，同时对国内外冷杉属植物遗传多样性的研究进展进行了分析，总结了国内外对冷杉属植物遗传多样性不同水平的研究情况，提出了冷杉属植物遗传多样性研究中存在的问题，并提出了今后的研究方向。

关键词冷杉属植物；分布；遗传多样性；研究方向

中图分类号S791.14文献标识码

A文章编号0517-6611（2017）20-0137-04

AbstractThe geographical distribution of Abies in China was introduced，the research progress of genetic diversity of Abies plants at home and abroad was analyzed，the research status of genetic diversity of Abies in different levels at home and abroad was summarized，the existing problems in the study of Abies were put forward and the future research direction was put forward.

Key wordsAbies；Distribution；Genetic diversity； Research direction

冷杉（Abies）是松科（Pinaceae）中的第二大屬植物，常绿乔木，主要分布于北半球，生长在亚、欧、美和非洲北部的冷杉属植物约48种，在我国20个省份分布约22种3个变种，其中百山祖冷杉（Abies beshanzuensis）、梵净山冷杉（Abies fanjingshanensis）、元宝山冷杉（Abies yuanbaoshanensis）、资源冷杉（Abies ziyuanensis）等分布狭窄，且种群数量少，已被列入国家一级保护名录，泰岭冷杉（Abies chensionsis）分布相对较少，被列入国家二级保护名录，而黄果冷杉（Abies ernestii）、长苞冷杉（Abies georgei）等分布相对较多[1]。笔者对多种冷杉属植物特别是濒危冷杉属植物遗传多样性研究进展进行了综述，分析了存在的问题，并展望了未来。

1冷杉植物种类及地理分布

冷杉性喜寒冷湿润气候，主要物种垂直分布在北半球，大部分分布在北美洲和中美洲、亚洲、欧洲，在非洲北部有极少数种类分布。研究表明，我国冷杉属植物共有28种[含变种和引进栽培的日本冷杉（Abies firma）][1]。我国是世界上冷杉属植物种类最为丰富、分布地域最广的国家，冷杉属植物在我国20个省份零散分布，横断山脉分布相对较多，冷杉属植物地理分布见表1，其中特有冷杉20种，国家一级重点保护野生冷杉植物4种，国家二级重点保护野生冷杉植物1种（表2）[2]。由于冷杉属植物对生长环境要求严格，分布地域跨度大，北起大兴安岭，分布最北的种是新疆冷杉；南至高黎贡山，分布最南的是台湾冷杉；西自天山，分布最西的是察隅冷杉；东迄台湾，分布最东的是杉松王；冷杉属植物呈现由北向南的间断分布，其中又以川西滇北横断山区的分布最为集中，是构成亚高山暗针叶林的建群种[2-3]。欧洲南部、北美和东亚这些领域的冷杉属植物具有丰富的化石记录。冷杉属植物的垂直分布范围很广，从海平面一直分布到4 700 m的高山。但集中分布在

1 000～2 000 m（15种）和2 500～4 000 m（13种）2个海拔段[3]。冷杉属植物地方性和遗迹现象比较明显，在白垩纪中期起源于北半球的中、高海拔地区，第四纪冰期的气候骤变对冷杉的分布有极大影响[4]。

2研究价值

冷杉属植物具有重要的研究价值，主要表现在以下几方面：①冷杉属植物对于植物地理分布、系统演化、古气候和古地理等研究具有重要意义[5]。②冷杉属植物不仅是重要的森林植被，而且可作为人造板、造纸业的优质原料，也常用作枕木、桥梁、船舶、建筑等原材料。③冷杉树脂可以用作制切片和精密仪器等的最好胶接剂；再者，冷杉叶片和树皮中提取的精油可用作化妆品（如香水）或洗漱用品（如香皂、牙膏）的配料[6]。④冷杉精油某些成分还能够抑制癌细胞正常生长，具有抗肿瘤活性[7]。

目前，对冷杉属植物研究主要集中在资源调查、种群结构评估、分类与鉴定、生境因子影响、精油提取与医疗保健等方面。然而，有关冷杉属植物分子生物学研究报道不多。

3冷杉属植物遗传学多样性国内外研究进展

20世纪60年代，国外科学家已经着手对冷杉属植物进行遗传多样性研究。当时的研究主要从形态学水平、染色体水平、同工酶水平等探索冷杉的遗传多样性等。20世纪80年代，随着分子生物学及相关技术的快速发展，冷杉属植物遗传多样性研究逐步进入到核酸水平。

Ziegenhagen等[8-9]研究了银冷杉叶绿体DNA的限制性位点多态性，认为银冷杉间存在较高遗传多样性，同时通过对冷杉雌配子和花粉DNA研究也发现了较高的遗传多态性现象。Hayashi等[10]通过库页冷杉（Abies sachalinensis） 细胞器 DNA 多态性研究，发现冷杉种群间具有丰富的遗传差异。 Suyama等[11]借助叶绿体基因（rbcL，matK）序列对日本冷杉在内的24 个冷杉种进行分析，确定了日本冷杉的种系位置。Parducci等[12]研究了冷杉（Abies nebrodensis）和 3 个相邻冷杉（Abies alba，Abies numidica 和 Abies cephalonica）种间叶绿体微卫星的遗传多样性，结果表明，冷杉和其他3种冷杉种有明显区别，可以作为一个独立的分类系统，并且由于遗传多样性降低，该种在最近2个世纪经历了一个遗传瓶颈。Shih等[13]运用核基因及叶绿体微卫星cpSSR 标记，评估台湾冷杉属植物 Abies kawakamll （Pinaceae） 遗传变异时指出：造成 Abies kawakamll 分布狭窄的原因是其低分化水平、单倍型数量少。向巧萍等[14]通过PCR技术扩增了28 种冷杉属（Abies）植物nrDNA的ITS（包括ITS1、ITS2和5.8S rDNA）片段，经过和某些类群 ITS 的全序列比对和部分序列测定，发现分布于墨西哥和2种北美冷杉属植物ITS片段长度约为2 500 bp，而分布于欧亚大陆和其他北美冷杉植物ITS长度约为1 700 bp，二者相差约800 bp。该研究结合形态学性状和地理分布资料，初步探讨了ITS 长度变异这一性状在冷杉属植物系统演化中的意义，并运用 ITS 技术探讨了松科属间和属下系统演化关系的可行性和局限性。Xiang等[15]对31个冷杉核糖体转录间隔区（ITS）进行完整分析并构建冷杉属植物种系发生树，揭示了松科植物都存在3 个小的亚重复基序（5′-GGCCACCCTAGTC-3′），而冷杉属植物还存在1个特异大重复（298 bp），该研究证实了前人所鉴定的9个种，并把 Abies Oiamel 和 Abies Grandis归并为1个种，种系树分析支持美州西北部单系种的存在，而亚、欧种系也存在密切关系。阚显照等[16]以長苞铁杉预测nrDNA内转录间隔区及5.8S转录本的二级结构，分析了功能拷贝与假基因化拷贝2种类型结构上的差异。Pawlaczyk等[17]从银杉家系分化出来的Abies alba利用核微卫星DNA及同工酶分子标记手段研究得出自交后代严重发生了遗传分化，得出这种遗传结构的模式很可能是恶劣的环境条件施加的选择压力以及人为的破坏导致种群遗传结构的改变。Wojnickapótorak等[18]利用线粒体DNA标记和核DNA微卫星确定了挪威云杉遗传结构与多种因素有关，如花粉和种子的传播模式、树木的密度、过去的繁殖发作、立地条件和选择性、不同的生命阶段、群体遗传结构。

以上从叶绿体DNA及nrDNA的ITS 等方面探究了不同冷杉属植物的遗传变异、种系发生地位、碱基拷贝上的结构差异等，为研究者提供了很好的借鉴。也从影响遗传多样性、遗传结构等的因素上进行了研究，使得冷杉属植物的研究更加全面、具体。上述研究利用不同的分子技术，从不同侧面对不同地域的冷杉属植物进行了研究，积累的相关数据为后续系统地开展冷杉属植物遗传资源分类、基因组结构分析、种质资源保护等奠定了理论基础。

濒危冷杉植物分子研究相对薄弱。前人研究认为，资源冷杉（Abies ziyuanensis）遗传分化主要存在于居群间，资源冷杉种群内遗传多样性较低，其濒危原因可能是种群内遗传多样性较低等，而且他们指出，资源冷杉部分居群间已经产生自交[19-22]；元宝山冷杉种群遗传多样性水平低，种群内个体间遗传相似系数较高，无明显亚种群间的遗传分化等[23]；秦岭冷杉遗传结构相对比较复杂，其濒危原因可能是3个居群严重自交，并提出相关保护策略[24]，秦岭冷杉种群间较高遗传多样性和较低遗传分化水平，导致生境片断化对秦岭冷杉产生负面遗传影响[25]；张广荣[26]认为，梵净山冷杉居群曾经历遗传瓶颈效应，导致种群内自交现象比较严重。百山祖冷杉在5种我国特有冷杉属植物中遗传多样性水平最低（从大到小依次为资源冷杉、元宝山冷杉、梵净山冷杉、大院冷杉、百山祖冷杉）。种群数量有限、遗传多样性程度低，可能是导致百山祖冷杉濒危的主要原因[27]，这种现象将会导致种群衰退、遗传多样性恢复困难，不利于百山祖冷杉种群的可持续发展。

上述研究利用不同的分子技术，从不同角度对不同地域的冷杉属植物进行了研究，积累的相关数据为后续系统地开展冷杉属植物遗传资源分类、基因组结构分析、种质资源保护等奠定了理论基础。

4面临的问题

学者从形态学水平、染色体水平、酶水平等方面，更加深入地进行了研究，分子水平上的研究越来越丰富，对瀕危植物也开展了就地保护、繁育试验（种子繁殖、扦插、嫁接等）、生境因子影响等研究，积累了相关数据并提出了濒危冷杉属植物的保护措施。但是，冷杉属植物特别是濒危冷杉属植物研究仍面临以下问题：

4.1种系发生地位不明确，在分类学上存在争议

冷杉属种系发生地位一直是学者感兴趣的内容。Li等[28]通过形态学分析认为，资源冷杉为百山祖冷杉的变种；饶龙兵[27]利用生物芯片技术对我国特有的5种冷杉群体进行研究时指出，资源冷杉、元宝山冷杉、大院冷杉遗传距离最近，与百山祖冷杉次之，而与梵净山冷杉遗传距离最远。朝鲜冷杉、臭冷杉的遗传地位也一直未得到明确定义，Hong等[29]利用微卫星开发了冷杉的多态性微卫星位点，Abies koreana和Abies Nephrolepis的平均期望多样性为0.767和0.717，说明两者的亲缘关系非常近，但是两者的种系地位有待进一步研究，为群体遗传学研究提供了理论支持。目前，很多研究冷杉属植物的种系地位，但是仍缺少明确的种系地位分类，分子水平上的分类和形态学上的分类有许多不一致的地方有待进一步研究。

4.2遗传多样性程度低

我国特有冷杉属植物普遍存在遗传多样性水平低的现象，5种濒危植物（资源冷杉、元宝山冷杉、梵净山冷杉、大院冷杉、百山祖冷杉）的遗传多样性都很低。遗传多样性水平低也是导致其进一步濒危的主要原因，这种现象将会导致种群衰退、遗传多样性恢复困难，不利于濒危种群的可持续发展[27]。

4.3分子技术研究薄弱

前人研究利用现代分子技术手段，初步揭示了冷杉属植物的遗传变异水平，为后续进行冷杉属分子研究积累了一定数据。但是他们采用的技术过于单一、积累的数据信息有限，因此对冷杉属植物的研究还需要更多分子试验证据来支持。

5展望

长期以来，对冷杉属植物遗传多样性的研究主要从表型形态和生理性状作为遗传标记进行，随着分子标记技术的发展，学者从核酸水平上对冷杉属植物进行的研究较多。主要对ITS、叶绿体、微卫星等技术进行了研究，技术比较单一、代表信息量不足。随着分子标记技术应用的广泛，植物品种鉴定、遗传多样性研究和系统演化分析等越来越多地应用到 RFLP、SSR、RAPD、AFLP、SRAP 和 ITS等分子标记技术中[30-31]，AFLP和ITS等技术也已经成功应用于冷杉属植物研究中。今后应利用2种及以上分子标记技术

研究冷杉属植物。每种研究方法都各有优点和不足，结合多种分子标记方法进行研究，得出的研究成果将更具有可靠性，这将为保护和利用冷杉属植物资源提供极为重要的科学理论依据。

通过对冷杉属植物的研究进展分析得出该属植物濒危的一个重要原因是遗传多样性水平低，因此，该研究认为保护冷杉属植物不仅要建立保护基地，还要对冷杉种子进行定期采摘，进行稻草覆盖等措施提高种子发芽率。加强冷杉种群结构的研究，避免近亲杂交，优化亲本组合等。

参考文献

[1]

向小果，曹明，周浙昆.松科冷杉属植物的化石历史和现代分布[J].植物分类与资源学报，2006，28（5）：439-452.

[2] 王清春，李晖，李晓笑.中国冷杉属植物的地理分布特征及成因初探[J].中南林业科技大学学报，2012，32（9）：11-15.

[3] XIANG X G，MING C，ZHOU Z K.Fossil history and modern distribution of the genus Abies（Pinaceae）[J].Frontiers of forestry in china，2007，2（4）：355-365.

[4] HEWITT G.The genetic legacy of the Quaternary ice ages[J].Nature，2000，405（6789）：907-913.

[5] 向巧萍.中国的几种珍稀濒危冷杉属植物及其地理分布成因的探讨[J].广西植物，2001，21（2）：113-117.

[6] 方纪，侯林英，侯祥瑞.冷杉的开发与利用概况[J].长春大学学报，2006，16（1）：67-69.

[7] LEGAULT J，DAHL W，DEBITON E，et al.Antitumor activity of balsam fir oil：Production of reactive oxygen species induced by alphahumulene as possible mechanism of action[J].Planta medica，2003，69（5）：402-407.

[8] ZIEGENHANGE B，KORMUTK A，et al.Restrictionsite polymorphisms in chloroplast DNA of silver fir （Abies alba Mill.）[J].Forest genetis，1995，2（2）：99-107.

[9] ZIEGENHAGEN B，SCHAUERTEM，KORMUTK A，et al.Plastid DNA polymorphism of megagametophytes and pollen in two Abies species[J].Silvae genetica，1997，45：355-358.

[10] HAYASHI E，UBUKATA M，LIZUKA K，et al.Genetic differentiation of organelle DNA polymorphisms in Sakhalin fir from Hokkaido[J].Forest genetics，2000，7（1）：31-38.

[11] SUYAMA Y，YOSHIMARU H，TSUMURA Y.Molecular phylogenetic position of Japanese Abies （Pinaceae） based on chloroplast DNA sequences[J].Molecular phylogenetics & evolution，2000，16（2）：271-277.

[12] PARDUCCI L，SZMIDT A E，MADAGHIELE A，et al.Genetic variation at chloroplast microsatellites （cpSSRs） in Abies nebrodensis （Lojac.） Mattei and three neighboring Abies species[J].Theoretical and applied genetics，2001，102（5）：733-740.

[13] SHIH F L，HWANG S Y，CHENH Y P，et al.Uniform genetic diversity，low differentiation，and neutral evolution characterize contemporary refuge populations of Taiwan fir （Abies kawakamii，Pinaceae）[J].American journal of botany，2007，94（2）：194-202.

[14] 向巧萍，向秋云，LISTON A，等.ITS （nrDNA） 片斷在冷杉属植物中的长度多态性及其在松科的系统与演化研究中的应用[J].植物学报，2000，42（9）：946-951.

[15] XIANG Q P，XIANG Q Y，GUO Y Y，et al.Phylogeny of Abies （Pinaceae） inferred from nrITS sequence data[J].Taxon，2009，58（1）：141-152.

[16] 阚显照，乔才元，高卉，等.长苞铁杉nrDNA内转录间隔区及5.8S的二级结构分析研究[J].激光生物学报，2007，16（3）：327-333.

[17] PAWLACZYK E M，BAACZKIEWICZ A，BUCZKOWSKA K，et al.Genetic variation of silver fir progeny from Tisovik Reserve population determined via microsatellite and isozyme markers[J].Folia forestalia polonica，2017，59（1）：45-58.

[18] WOJNICKAPTORAK A，CELIN′SKI K，CHUDZIN′SKA E.Temporal dynamics in the genetic structure of a natural population of Picea abies[J].Biologia，2016，71（8）：875-884.

[19] 代文娟，唐绍清，刘燕华.叶绿体微卫星分析濒危植物资源冷杉的遗传多样性[J].广西科学，2006，13（2）：151-155.

[20] TANG S Q，DAI W J，LI M S，et al.Genetic diversity of relictual and endangered plant Abies ziyuanensis（Pinaceae） revealed by AFLP and SSR markers[J].Genetica，2008，133（1）：21-30.

[21] 王燕，唐紹清，李先琨.濒危植物元宝山冷杉的遗传多样性研究[J].生物多样性，2004，12（2）：269-273.

[22] 苏何玲，唐绍清.濒危植物资源冷杉遗传多样性研究[J].广西植物，2004，24（5）：414-417.

[23] 张玉荣，罗菊春，喻锦秀.资源冷杉遗传多样性的 ISSR 分析[J].北京林业大学学报，2007，29（6）：41-46.

[24] 李为民.濒危植物秦岭冷杉群落结构及其遗传多样性的研究[D].西安：西北大学，2010.

[25] 王谢.基于微卫星标记的秦岭冷杉和巴山冷杉的种群遗传结构比较研究[D].桂林：广西师范大学，2014.

[26] 张广荣.梵净山冷杉的保护遗传学研究[D].桂林：广西师范大学，2008.

[27] 饶龙兵.基于生物芯片标记技术的五种濒危冷杉保护遗传学研究[D].北京：中国林业科学研究院，2009.

[28] LI N，FU L K.Notes on gymnosperms I.Taxonomic treatments of some chinese conifers[J].Novon a journal for botanical nomenclature，1997，7（3）：261.

[29] HONG J K，LIM J，LEE B Y，et al.Isolation and characterization of novel microsatellites for Abies koreana and Abies nephrolepis （Pinaceae）[J].Genetics & molecular research，2016，15（2）：1-8.

[30] POWELL W，MORGANTE M，ANDRE C，et al.The comparison of RFLP，RAPD，AFLP and SSR （microsatellite） markers for germplasm analysis[J].Mol Breed，1996，2（3）：225-238.

[31] TANG S Q，BIN X Y，WANG L，et al.Genetic diversity and population structure of yellow camellia（Camellia nitidissima） in China as revealed by RAPD and AFLP markers[J].Biochemical genetics，2006，44（9）：444-456.