公路阻礙作用對古爾班通古特沙漠南緣羽毛針禾種群基因流的影響

張麗霞　張霞　王紹明　楊美玲

摘要：以新疆古爾班通古特沙漠南緣3條典型沙漠公路兩側的羽毛針禾（Stipagrostis pennata）為研究對象，利用17對微衛星標記（又稱為簡單重復序列，簡稱SSR），探討公路對阜康、沙灣和148團3個種群基因流的影響。單因素方差分析結果表明，平均等位基因數、有效等位基因數、Shannon多樣性指數、觀測雜合度、預期雜合度和Neis多樣性指數在阜康種群和148團種群間整體上存在顯著差異，在阜康種群和沙灣種群間均不存在顯著差異，在沙灣種群和148團種群間只有觀測雜合度存在顯著差異，其余遺傳多樣性指標在沙灣種群和148團種群間均不存在顯著差異;遺傳分化系數和基因流在3個種群的兩兩間均存在顯著差異。從長遠上看，公路對羽毛針禾種群間的基因流起到一定的阻礙作用，此外，種群間的基因流還受到農田開墾和水庫修建的影響。

關鍵詞：羽毛針禾;基因流;公路阻隔;古爾班通古特沙漠

中圖分類號： S759.95文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）09-0104-06

基因流是指種群間及種群內的基因通過生物個體或者其配子體等遺傳物質，隨著攜帶者從一個群體流動到另一個群體而產生的基因流動。如果種群間的基因流高，最后基因頻率會變得一致，基因流趨向于阻止種群之間產生遺傳上的差異。大多數關于植物基因流的研究認為，地理隔離是影響植物種群遺傳結構的主要因素之一[1-4]。種群的物理隔離，無論是自然隔離（高山、峽谷、河流、湖泊和冰川），還是人為造成的隔離（例如公路、隧道和墻壁），都造成了適宜生境的不連續性，這可能會限制或阻止基因流動，最終導致隔離的種群間出現較高的遺傳分化[5-12]。此外，植物種群的基因流也可能是由其他生物學特性或進化過程引起的，如傳粉生物學特性[13]、交配系統[14-15]、種子散布方式[16]、花期或傳粉媒介（花粉交換只能發生在擁有共同傳粉媒介且同時開花的個體間）[17]、氣候因素（如風速和風向、晝夜溫度、光和空氣相對濕度）[18-20]等。羽毛針禾（Stipagrostis pennata）為多年生草本植物，具有抗旱、耐風蝕、耐沙埋的特點，是一種生長在古爾班通古特沙漠南緣流動、半流動沙丘或沙壟上的優秀的固沙植物。長期以來，隨著經濟的發展，古爾班通古特沙漠南緣羽毛針禾種群受到公路工程、引水工程、石油開采、農田開墾等不同程度的擾動，造成連續種群分化成不連續的亞種群，限制或阻止了其基因流動，導致種群間出現遺傳分化。本研究利用簡單重復序列（simple sequence repeats，簡稱SSR）分子標記技術對新疆準噶爾盆地典型沙漠公路兩側的羽毛針禾亞種群進行研究，探討沙漠公路工程對羽毛針禾遺傳信息的影響，對理解羽毛針禾植物種群的動態及設計合理的管理策略以有效保護羽毛針禾類植物有重要的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究區位于古爾班通古特沙漠南緣，其地理位置是44°27′37.3″N～44°45′33.0″N，85°37′47.5″E～88°51′7.9″E。3條沙漠公路中對阜康（簡稱FK）種群起阻隔作用的是國道216線五彩灣—大黃山高速公路段。該段于2011年4月至2013年10月修建，起點位于火燒山岔路口附近，終點為幸福路口立交，主線全長101 km，為四車道高速公路，設計速度為120 km/h。該公路段于2013年12月通車，省道201線是克拉瑪依至榆樹溝公路，簡稱克榆公路。該公路起點為克拉瑪依市，止于昌吉市榆樹溝鎮，全長254 km，擬設計車速為 100 km/h、路基寬度為25.5 m的標準一級公路。該項工程的建設時間是2003年8月至2006年11月，2006年12月通車。對沙灣（簡稱SW）種群起阻隔作用的S201公路段位于四道河子鎮，省道204線是從莫索灣至石河子的公路。該公路的起點為莫索灣，經149團、148團、六戶地，止于石河子市。該公路建于1966年，路面問題嚴重，擁包、坑槽多，平整度差。在2010年和2013年分別對該公路進行施工養護。對148團種群起阻隔作用的S204公路段位于新疆生產建設兵團農八師148團，其中阜康種群為南北走向，各亞種群周圍沒有農田;沙灣種群的沙漠公路為東西走向，各個亞種群周圍有農田;148團種群的沙漠公路為南北走向，各亞種群周圍有水庫和農田。

1.2 野外取樣

于2014年5月16—18日、2015年5月9—24日，在阜康、沙灣和148團3個羽毛針禾種群公路的兩側，選擇左右對稱、走勢較好的沙丘，3個種群每側選取的亞種群數在阜康、沙灣、148團分別為6、4、3個，同側亞種群的間隔為5～8 km，每個亞種群取20叢。前人的研究結果表明，種子散布和花粉擴散大概輻射在距其母株4 m的范圍內，因此，為了避免采集到近親繁殖的植株，株叢間距設為5 m以上。采集新鮮、幼嫩的葉片，就地用硅膠干燥后保存于自封袋中，帶回實驗室后于 -20 ℃ 保存。用全球定位系統（GPS）定位儀記錄采樣點的經緯度及海拔。樣地分布示意見圖1。

1.3 基因組DNA的提取

參照天根生化科技（北京）有限公司的新型植物基因組DNA提取試劑盒的說明書，并稍加改動（在漩渦儀上振蕩的時間、離心時間和在室溫下放置的時間延長到原來的2倍）提取羽毛針禾基因組DNA。

1.4 SSR擴增及產物的檢測

參考已發表的羽毛針禾[21-22]、野生水稻[23-25]的SSR引物，共篩選出17對擴增效果好、多態性高的引物（表1），由上海捷銳生物工程公司合成。PCR擴增反應體系（10 μL）：6 μL 2×Taq PCR Master Mix，0.5 μL正向引物，0.5 μL反向引物，2 μL ddH2O，1 μL模板DNA。反應程序：94 ℃預變性 5 min;94 ℃變性45 s，50 ℃退火45 s，72 ℃延伸1 min，共36個循環;72 ℃延伸10 min。擴增產物用6%非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳檢測，銀染。