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气候、干扰、森林演替对北美香柏遗传多样性的影响

作　者: 徐怀同
导　师: 陈存根
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 生态学
关键词: 纬度梯度破碎化森林演替火后森林残留遗传多样性
分类号: S793.9
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

北美香柏是北部森林重要树种，被北美的许多州/省列为濒危物种。对其种群动态、遗传结构和多样性等进行深入研究，对维持生态系统稳定、种质和基因资源保护、可持续森林管理等方面具有重要意义。本研究通过分析气候、自然干扰、森林演替、破碎化等对其种群动态和遗传结构的影响，旨在：1)揭示纬度梯度和破碎化对其种群遗传多样性的影响；2)阐明火后森林演替过程中，有性和无性繁殖模式对其森林更新的相对重要性，以及干扰历史对其遗传结构的影响；3)阐明景观特征对其遗传多样性的影响，及其火后森林残留的保护价值。本文运用时间和空间，以及分子标记技术的研究方法，同时整合气候因子、历史纪录、干扰因子、遗传数据。得出的主要结论如下：1)沿着从加拿大北部森林南端的混交林森林到其北端的针叶林森林的纬度梯度，没有出现显著的遗传多样性（等位基因丰度，基因多样性，种群分化）的纬度效应。种群隔离和破碎化的加剧不与遗传多样性显著降低相关。在边缘区种群(F_is=0.244；P_HW=0.0042)和不连续区种群(F_is=0.166；P_HW=0.0042)中存显著的正近交系数和杂合子缺乏，表明存在较高的近亲繁殖。连续区种群符合Hardy-Weinberg平衡(F_is=-0.007; P_HW=0.3625)。贝叶斯分析和近邻结合树分析都显示存在种群遗传结构，且与地理来源部分一致。总体上，北美香柏种群存在一定程度的遗传分化(F_st=0.077)。大部分种群的规模显示近期扩大，而少数几个边缘种群经历了近期规模变小。总体而言，破碎化对其遗传多样性的影响是沿纬度梯度产生正近交系数，并且破碎化的北美香柏种群对近亲繁殖而导致的遗传侵蚀影响有缓冲能力。2)沿火后250年的演替梯度，无性更新所占的百分比略有增加（样点1916，22.8%；样点1823，27.0%；样点1760，30.9%），基因型多样性则相应的下降。大部分的基因扩散是在样方内实现（花粉，88.5％；种子，79.4％）。最年轻的样点（1916）从两个古老样点（1823；1760）获得了很大比例的通过花粉和种子介导的基因（75.8％）。平均有效种子传播距离为1079.4m，最大距离为7.2km；平均有效授粉距离为536.6m，最大距离为4.4km。树苗和成龄树之间的微观尺度空间遗传结构存在鲜明对比。树苗的微观尺度空间遗传结构较强且显著，成年树的则较弱且不显著。克隆生长在短距离内增加了树苗的微观尺度空间遗传结构。沿演替梯度，树苗（不含克隆）在第一距离间隔内的微观尺度空间遗传结构的强度逐渐减弱。离种子源的距离，火后更新中出现产种子树木的时间，以及适宜的微环境大量出现是控制火后森林演替过程中北美香柏数量（丰富度）的主要因素。3)在破碎化森林景观中火后遗漏的北美香柏森林小补丁，天然破碎化湖泊景观中其岛屿林分，以及非破碎化森林景观中其陆地古老森林之间存在高水平的基因流。其基因流格局存在源–汇动态。其森林小补丁通过接收陆地古老森林的基因而维持一定程度的遗传多样性。三种景观类型之间存在着等位基因多样性的显著区别，也存在种群分化的显著区别。破碎化森林景观中火后遗漏的森林小补丁具有最低等位基因丰富度（AR=5.06），最高的种群分化(F_st=0.052)，以及数量最少的私有等位基因（PA=5）。气候（风）和景观特征共同塑造北美香柏在这景观中的遗传结构。北美香柏陆地古老森林或其大斑块具高遗传保存价值。因此，应采取适当保护措施，避免其进一步退化，以防其变小成为森林小补丁及出现伴随的遗传变异显著降低；确保其能继续为火敏感物种提供重要栖息地。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-18
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 研究进展  13-17
    1.2.1 北美香柏简介  13-14
    1.2.2 北美香柏生态研究  14-15
    1.2.3 北美香柏种群更新研究  15-16
    1.2.4 北美香柏种群遗传研究  16-17
  1.3 研究目的和意义  17-18
第二章研究内容和研究方法  18-21
  2.1 研究内容  18-19
  2.2 研究方法  19-21
第三章破碎化和纬度梯度对北美香柏在其分布北缘地区的遗传影响  21-39
  3.1 引言  21-23
  3.2 材料和方法  23-28
    3.2.1 实验材料  23
    3.2.2 研究地区概况  23
    3.2.3 取样  23-26
    3.2.4 DNA 提取、微卫星位点扩增、基因型确定  26
    3.2.5 描述性遗传统计分析  26-27
    3.2.6 纬度梯度对遗传多样性的影响  27
    3.2.7 种群遗传结构  27
    3.2.8 种群的瓶颈效应  27-28
  3.3 结果与分析  28-36
    3.3.1 描述性遗传统计值  28-29
    3.3.2 纬度梯度对遗传多样性的影响  29-30
    3.3.3 种群遗传结构  30-33
    3.3.4 遗传变异  33
    3.3.5 种群的瓶颈效应  33-36
  3.4 讨论  36-39
第四章繁殖模式在北美香柏森林更新中的相对重要性以及演替和克隆生长对其遗传结构的影响  39-58
  4.1 引言  39-40
  4.2 材料和方法  40-47
    4.2.1 实验材料  40
    4.2.2 研究地区概况  40
    4.2.3 取样  40-45
    4.2.4 DNA 提取和微卫星片断的扩增  45
    4.2.5 遗传数据分析  45-46
    4.2.6 微观尺度空间遗传结构分析  46
    4.2.7 双亲分析  46-47
  4.3 结果和分析  47-54
    4.3.1 克隆结构，遗传和基因型多样  47-48
    4.3.2 微观尺度空间遗传结构  48-52
    4.3.3 双亲分析、家系结构、基因散播距离  52-54
  4.4 讨论  54-58
    4.4.1 沿火后演替梯度的更新动态  54-55
    4.4.2 基因散播距离影响家系结构  55-56
    4.4.3 克隆生长增加微观尺度空间遗传结构、火后演替空间遗传结构格局  56-58
第五章景观特征对北美香柏遗传多样性的影响及其火残存森林斑块的保护价值  58-70
  5.1 引言  58-59
  5.2 材料和方法  59-63
    5.2.1 实验材料  59
    5.2.2 研究地区概况  59
    5.2.3 取样  59-61
    5.2.4 DNA 提取和基因型确定  61
    5.2.5 数据分析  61-63
  5.3 结果与分析  63-67
    5.3.1 遗传多样性、私有等位基因、平衡检测  63-64
    5.3.2 景观中种群的结构和分化  64-67
    5.3.3 景观中的基因流  67
  5.4 讨论  67-70
    5.4.1 三种景观类型间的遗传多样性的区别  67-68
    5.4.2 景观内林分间的基因流  68-69
    5.4.3 火后森林残留的保护价值  69-70
第六章利用新一代测序技术开发北美香柏微卫星分子标记  70-75
  6.1 引言  70
  6.2 实验方法和结果  70-72
  6.3 小结  72-75
第七章结论和展望  75-82
  7.1 研究结论  75-77
    7.1.1 纬度梯度及种群破碎化对北美香柏遗传多样性的影响  75
    7.1.2 保护北美香柏北部边缘种群的重要性  75
    7.1.3 北美香柏森林火后演替动态及其大量出现的原因  75
    7.1.4 北美香柏基因有效扩散距离及森林演替梯度对其遗传结构影响  75
    7.1.5 克隆生长对北美香柏遗传结构的影响  75-76
    7.1.6 景观特征对北美香柏遗传多样性的影响  76
    7.1.7 保护北美香柏陆地古老森林或其大斑块的重要性  76
    7.1.8 首次开发北美香柏分子标记对其将来研究的重要性  76-77
  7.2 本研究的创新性  77-78
  7.3 本研究对可持续森林管理的贡献  78-79
  7.4 将来研究的建议  79-82
    7.4.1 以分布范围开展遗传调查、检验冰河期避难所、揭示冰期后历史  79-80
    7.4.2 使用细胞器 DNA、并开发更多分子标记  80
    7.4.3 扫描基因组、检验适应性基因  80-82
参考文献  82-101
附录  101-112
  附录 1 第三章节的补充材料  101-105
  附录 2 第四章节的补充材料  105-108
  附录 3 第五章节的补充材料  108-111
  附录 4 第六章节的补充材料  111-112
缩略词  112-114
致谢  114-115
作者简介  115-117

气候、干扰、森林演替对北美香柏遗传多样性的影响

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