植 物 分 类 与 资 源 学 报 ,35 ( ): 摇 2013 3 343~347 Plant Diversity and Resources : 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 DOI 10.7677/ynzwyj201313052 青藏高原固沙草属种质资源收集和保存 * 苏 旭1,2, 岳 伟1, 刘建全1** 摇 摇 兰州大学生命科学学院草地农业生态系统国家重点实验室 甘肃兰州 青海师范大学生命与 (1 , 摇 730000; 2 地理科学学院青藏高原环境与资源教育部重点实验室 青海西宁 , 摇 810008) 摘要: 固沙草属 Orinus 是禾本科具有重要经济价值的高山特有属 具有较强的抗逆特性 是农业良种 ( ) , , 繁育 畜牧业牧草改良利用的重要资源 该属记载 个物种 均分布在青藏高原 在过去 年内 我们调 、 。 6 , 。 5 , 查了该属所有物种在青藏高原的分布 并收集了种子 材料和标本 采用 序列对物种界限进行了 , 、 DNA ; ITS 探讨 发现 个物种中只出现两个比较明显的遗传分支 表明原有的一些物种在分类上应予以合并 我们 , 6 , 。 进一步讨论了这些丰富的种质资源对将来研究和利用固沙草属的重要性和相关途径 。 关键词: 青藏高原 固沙草属 种质资源 物种划分 ; ; ; 中图分类号: 文献标识码: 文章编号: Q948.5; Q949摇 摇 摇 摇 A摇 摇 摇 摇 摇 2095-0845(2013)03-343-05 Germplasm Collection and Preservation of Orinus Poaceae in the Qinghai鄄Tibet Plateau * ( ) 1,2 1 1** SU Xu , YUE Wei , LIU Jian鄄Quan StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro鄄Ecosystem SchoolofLifeScience LanzhouUniversity (1 , , ,Lanzhou730000,China; KeyLaboratoryofEducationMinistryofEnvironmentsandResourcesinTibetanPlateau SchoolofGeography 2 , andLifeScience QinghaiNormalUniversity , ,Xining810008,China) Abstract Orinus : isanalpinegenuswithimportantvaluesinthegrassfamily(Poaceae). Allsixspeciesrecognized within this genusaredistributedintheQinghai鄄TibetPlateau. Inthepastfiveyears,wesurveyedthedistributionsof each species in this region and collected germplasm resources, including seeds, DNA and specimens. We further used the ITS sequence variation totentativelydelimitthepreviouslyacknowledgedspeciesandfoundthatthereisno distinct boundary between species and only two distinct lineages were recognized for all six species, indicating that somespeciesshouldnotbetreatedasseparatespecies. Thesedataprovideanimportantresourceforfurtherutilizing and studying this genus. Key words Orinus : Qinghai鄄Tibet Plateau; ; Germplasms; Species Delimitation 固沙草属 Orinus 隶属于禾本 于下部及边缘具柔毛 内稃近等长于外稃或稍 摇 ( Hitchcock) , 科 画眉草族 三齿稃 长 颖果先端具茸毛等为主要鉴别特征 和三齿 (Poaceae) (Eragrostideae) , , 亚族 为多年生草本 该属植株 稃亚族中的其它属形成明显区别 该属小穗侧扁 (Tridentinae), 。 。 具细长 多节且覆盖鳞片的根状茎 秆直立 丛 不明显 甚至呈圆筒形 外稃 脉 背部无 、 , 、 、 , 3 ~5 、 生 叶狭窄 线形 花序顶生 圆锥状 小穗含 脊 先端通常具短芒 与隐子草属 Cleistogenes , 、 , 、 , 、 , ( 朵小花 颖质薄 顶端尖 外稃全部或仅 和三齿稃属 Tridens 等类群关 1 ~8 , 、 , Keng) ( Beauv.) 基金项目 科技部科技基础性工作专项重点项目 和国家自然科学基金项目 * : (2007FY110100) (31260052) 通讯作者 ** : Authorforcorrespondence; E鄄mail:[email protected] 收稿日期 接受发表 : 2013-03-19, 2013-03-26 作者简介 苏 旭 男 博士 在站博士后 主要从事植物分类和分子系统学研究 : 摇 (1980-) , , , 。 E鄄mail:[email protected] 植 物 分 类 与 资 源 学 报 第 卷 摇344摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 35 系密切 蔡联炳等 根据植物叶片下表 伯介和刘亮 以及 对该 。 (2004) (1960) Tzvelev (1968) 皮特征曾指出 国产三齿稃亚族中固沙草属最原 属的研究新增了鸡爪草 O. anomala , ( Keng ex f. 始 隐子草属可能直接起源于固沙草属 并在自 和青海固沙草 O.kokonorica , , & L. Liou) ( (Hao) 身基础上派生出了较为高级的三齿稃属 两个种 的研究进一步证 。 Tzvel.) 。 Bor (1960) 固沙草属目前记录有 种 主要分布于青藏 实早期发表的O. arenicola 就是早年报道 6 , Hitchc. 高原及其邻近的高山地区 仅有少部分居群分布 产于西藏的Diplachne thoroldii 的 , Stapf ex Hemsl. 在邻近的稍低海拔地区 属于北温带植物区系成 异名 从而使固沙草属模式转为 Orinus thoroldii , , 分 通常 该属植物喜生于海拔 固 沙 草 杨 锡 麟 。 , 2500 ~4 800 m (Stapf ex Hemsl.) Bor ( )。 的山坡 草地 林缘 路旁 河谷 湖岸等比较 在 中国植物志 固沙草属下承认了 、 、 、 、 、 (1990) 《 》 3 极端的环境下 是沙丘 草原植被的主要成分 个种 赵南先和李名飞 又发表西藏固 , 、 ; (1994) 杨锡麟 尤其是该属具有较强的耐旱 沙草 Orinus tibeticus 蔡联炳 ( , 1990)。 、 ( N. X. Zhao)。 寒 碱以及抗病 抗风沙的能力 并且具有发达 报道了固沙草属两个种 固沙草和鸡爪 、 、 , (2004) — 的根系 因而是保土固沙的重要植物 此外 该 草在青海分布的新记录 并对两种植物地理分布 , 。 , , 属营养价值较高 是畜牧业上的重要牧草 所有 上过去的不完善认识进行了分析 编制了区分固 , ; , 物种的花序相对粗长 穗多粒大 加之抗逆性强 沙草属 种植物的分类检索表 等 、 , 4 。 Chen (2006) 的优点 是将来农牧业上禾草良种繁育的重要资 在 中也确认固沙草属有 种 , 《Flora of China》 4 。 源植物 本文重点报道了我们在青藏高原调查该 随后 和 和 。 , Zhang Cai (2008), Su Cai (2009) 属各物种的具体分布 种质资源收集结果以及初 又报道了固沙草属的另两个新种 高秆固沙草 、 — 步利用 序列进行的种间界定 为该属植物未 O.alticulmus 和长颖 ITS , ( L. B. Cai & T. L. Zhang) 来的研究和资源利用提供重要资料 固沙草 O. longiglumis 根 。 ( L. B. Cai & X. Su)。 据这些新发表物种的形态鉴别特征 本文重新整 , 1摇 分类历史 理和编制了分种检索表 对固沙草属的分类进行 , 固沙草属最初是依据产于克什米尔地区的 了一次系统总结 固沙草属记载的所有 个种全 。 6 O.arenicola 种名建立的属名 都分布在青藏高原地区 仅有部分种的分布延伸 Hitchc. (Hitchcock, , 世纪 年代末 耿以礼 耿 到毗邻地区 1933)。 20 50 , (1959)、 。 固沙草属植物分种检索表 Key to the species of Orinus 摇 圆锥花序扩展 外稃通常密被长柔毛 第一外稃长 …………………………………………………… 2 1. ; , 5.0~7.0mm 圆锥花序紧缩 外稃疏被柔毛或短柔毛 第一外稃长 ………………………………………………… 5 1. ; , 4.0~5.5mm 颖片长于或近等于相邻的小花 圆锥花序长 …………………………………… 长颖固沙草O.longiglumis 2. ; 8~23cm 颖片短于相邻的小花 圆锥花序通常长 ……………………………………………………………………… 3 2. ; 3~9cm 内稃通常长于外稃 外稃疏被柔毛 叶片不具小刺毛 ……………………………………… 高秆固沙草O.alticulmus 3. ; ; 内稃近等于外稃 外稃被长柔毛 叶片局部具小刺毛 ………………………………………………………………… 4 3. ; ; 小穗长 通常含 小花 秆和叶片局部被毛……………………………………… 固沙草O.thoroldii 4. 6.0~8.5mm, 2~4 ; 小穗长 通常含 小花 秆和叶片全部被毛 ……………………………… 西藏固沙草O.tibeticus 4. 8.0~11.0mm, 5~8 ; 小穗长 通常含 小花 外稃疏被柔毛…………………………………… 青海固沙草O.kokonorica 5. 6.5~8.5mm, 2~4 ; 小穗长 仅含 或 小花 外稃疏被短柔毛 ………………………………………… 鸡爪草O.anomala 5. 5.0~6.0mm, 1 2 ; 2摇 物种分布和资源收集 标本 确定了过去固沙草属标本的采集地 发现 , , 根据现有文献和中国科学院西北高原生物研 大都采自青藏高原 所有标本采集地是我们调查 ; 究所青藏高原生物标本馆 中国科学 的重点 同时 也对高原面上其它地区是否有该 (QTPMB)、 ; , 院植物研究所标本馆 及四川农业大学小 属植物分布进行全面的调查 具体的调查范围约 (PE) ; 麦研究所标本室 保存的固沙草属腊叶 为 (SAUT) N27毅29忆10. 3义-N39毅16忆13. 5义, E79毅48忆09义- 期 苏 旭等 青藏高原固沙草属种质资源收集和保存 3 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 : 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇3摇45 海拔 发现典型 材料 以及 个居群的种子 每个居群采集了 E102毅30忆59.7义, 2218 ~5183 m; , 31 。 的固沙草属植物居群 进行 定位 相关气 不少于 个个体的材料作为标本 上述所有物种 , GPS 、 5 。 候数据收集 固沙草属植物形态性状描述 标本 的标本 居群样品和成熟种子等均保存于中国西 、 、 、 采集和伴生物种的记录等 年始 每年夏 南野生生物种质资源库 中 ; 2008 , (GBOWS) 。 秋季进行野外调查 采集固沙草属植物标本 , 、 样品以及成熟种子等 3摇 基于分子证据的物种初步界定 DNA 。 通过详细调查 我们发现 个物种中 固沙 利用多个形态性状通过主成分分析获得形态 , 6 , 草分布最广 从西藏自治区的阿里地区一直分布 群 是种间界限划分的重要基 , (Phenetic group) 到拉萨市一带 西藏固沙草分布于西藏自治区的 础 等 我们对固沙草属所有 ; (Rieserberg , 2006), 扎囊县 曲水县 定结县 定日县和康马县 鸡 居群采集的标本进行类似的工作 最近两年来 、 、 、 ; 。 , 爪草分布于青海省的共和县和囊谦县 西藏自治 条形码技术 成为物种鉴 、 DNA (DNA barcoding) 区的丁青县 甘肃省的夏河县 青海固沙草分布 定最为有效的手段之一 等 、 ; (Li , 2011; China 于青海省的海晏县 共和县和囊谦县 长颖固沙 并且指出 比以前通 、 ; Plant BOL Group,2011), ITS 草仅分布于西藏自治区的普兰县和乃东县 高秆 常使用的叶绿体 片段 如 rbc mat ; DNA ( L, K, 固沙草仅分布于青海省的西宁市 我们发现长颖 trn psb 在物种鉴定能力方面更为有效 我 。 H鄄 A) 。 固沙草 高秆固沙草以及西藏固沙草的一些物种 们利用 序列对固沙草属植物 个物种 、 nrDNA ITS 6 鉴别特征不是十分稳定 情况也出现于固沙草和 部分居群进行了相关研究 每种从所采样品具有 , 。 青海固沙草中 另外 四川省西部 西藏自治区 标准形态的 个居群中选择 个个体 利用 。 , 、 3 9 , Chi鄄 东部分布的固沙草属植物 形态上介于固沙草 推荐的标准方法进 , 、 na Plant BOL Group (2011) 鸡爪草和西藏固沙草之间 但也有自己独特的一 行 片段的扩增和测序 , ITS 。 些特征 如 根状茎不具鳞片 颖片全部密被长 以Leptochloa viscida 和Eragros鄄 , : , (Scribn.) Beal 柔毛等 我们暂把这些居群材料分归于这三个物 tis parviflora 为外类群 采用启发式 ; (R.Br.) Trin. , 种之下 我们一共收集了 个野生自然居群 搜索和贝叶斯推论法建立所有个体之间的系统关 。 53 图 的种质资源材料 包括 个体的 系树 并检验它们之间的遗传差异 如图 所示 ( 1) , 766 DNA , 。 2 , 图 固沙草属植物种质资源采集地理分布图 1摇 Orinus Fig.1摇 Samplinglocalitiesof surveyedintheQinghai鄄TibetanPlateau 植 物 分 类 与 资 源 学 报 第 卷 摇346摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 35 并给出重复 次各分支的自展支持率 BV 1 000 值和贝叶斯系统树 (bootstrap value) (Bayesian 的后验概率 PP 值 比较简约法 inference, BI) 。 和贝叶斯法的分析结果 发现两种方法构建的系 , 统发育关系极为吻合 只是支持率略有不同 , 图 所研究的固沙草属 种 居群 个体 ( 2); 6 18 54 分为两个分支 即 一个分支 是由高秆固 , : (A) 沙草 Orinus alticulmus 鸡爪草 O. anomala ( )、 ( ) 和青海固沙草 O. kokonorica 个种所测个体 ( ) 3 构成 并在两种方法中得到较高支持的 BV 值和 , PP值 分别为 和 另一分支 , 100% 95%; (B) 是由西藏固沙草 O. tibeticus 固沙草 O. ( )、 ( thoroldii 和长颖固沙草 O.longiglumis 个种 ) ( ) 3 所测个体组成 BV值和PP值分别高达 和 , 100% 从在 支中 个物种 序列完全相 85%。 A , 3 ITS 同 同样 在 支中 西藏固沙草 固沙草和 ; , B , 、 长颖固沙草 个物种的 序列也完全一致 两 3 ITS 。 支之间 有 个稳定的突变差异 每一支的 ITS 16 。 3 个物种以及所有 个物种 在以前的分类研究 6 , 中 都是以圆锥花序形态 小穗长度以及小花数 , 、 目 外稃与内稃的相对长度以及被毛状况作为种 、 间区别 实际上 我们在野外考察中发现 这些 。 , , 性状即使在同一居群中都存在相当大的变异 因 。 此 我们对 个物种初步的分子条形码界定表 , 6 明 它们可能只分属于两个种 并且这两个种之 , , 间的区别可能也不是上述所列性状 当然 这一 。 , 结论还需要从居群水平上利用多个形态性状进行 统计分析 才能说明上述性状是否是种内 居群 , 、 内变异 找到区分两个遗传分支的形态性状标记 , 等 此外 四川北部 西部 (Rieserberg , 2006)。 , 、 和西藏东部的部分居群形态上似乎介于固沙草 、 鸡爪草和西藏固沙草之间 可能是这两个遗传分 , 支的杂交后代 即可能是杂交带 也有可能形 ( , 成了一个独立的物种 也有可能代表了从其中 ), 一支分化而来的未命名的新物种 。 图 基于 序列数据构建的最大简约树和 4摇 种质资源收集和保存对未来研究和利 2摇 ITS Bayesian50% 多数规则一致性树 分支上数字分别代表最简约树 用的意义 。 的自展支持率和 后验概率 (MP) Bayesian 通过我们对固沙草属植物近 年的考察 我 5 , Fig.2摇 Themostparsimonioustreebasedandfiftypercentof 们发现该属植物在青藏高原分布广 形态变异 , BayesianmajorityruleconsensustreebasedonITSsequences. 大 这些系统的居群水平材料收集对解决该属植 Numbersabovethebranchesindicatebootstrapsupport ; 物的分类学和物种形成问题提供了重要基础 在 andtheBayesianposteriorprobabilitiesrespectively 。 期 苏 旭等 青藏高原固沙草属种质资源收集和保存 3 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 : 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇3摇47 此基础上 将来能够开展和需要完成的工作包 逆新品种 总之 通过长时间全面的考察 我们 , 。 , , 括 统计分析居群形态性状的变异 对界定 已经收集了固沙草属完整的种质资源 不仅为永 : (1) , , 已命名 个物种的形态性状是否存在间断 作统 久保存 而且也为今后研究和利用固沙草属种质 6 , 、 计和检验分析 对四川北部 西部和西藏东部的 资源提供了基本保证 并为此提供了一个新起点 ; 、 , 。 固沙草属居群进行深入的形态性状研究 确定它 , 们的分类学地位 除这些宏观形态性状的居群水 也参 考 文 献页 ; 摇 摇 摇 平的统计分析之外 还可以开展其他微观性状的 , 调查和研究 如叶表皮性状 气孔和表皮细胞 耿以礼 中国主要植物图说 禾本科 北京 科学出 , ( ,1959. — [M]. : 形状等 和染色体性状 染色体数目 核型 版社,283—286 ) ( 、 杨锡麟 固沙草属 见 陈守良 中国植物志 第 等 并将这些性状和宏观形态性状进行相关性 ,1990. [A]. : , 10 ), 卷 北京 科学出版社 分析 确定该属的物种界定 即该属究竟有多少 [M]. : ,39—41 , , The Grasses of Burma Ceylon India and Pakistan BorNL,1960. , , 物种 也可以帮助确认物种之间的系统发育关 , [M]. St. Albans:CampfieldPress,519—520 系 由于有多个居群材料 正如我们初步开 蔡联炳 Orinus ; (2) , CaiLB( ),2004. Two new recorded species of from 展的利用 进行物种界定一样 进而可以利用 Bulletin of Botanical Research 植物研 QinghaiProvince [J]. ( ITS , 究 24 所有居群代表个体以及更多 片段的测序 ), (4):394—395 DNA , 蔡联炳 张燕 张同林 比较 条形码序列变异与形态性状变异与间 CaiLB( ),ZhangY( ),ZhangTL( ),2004. DNA Relationshipsamong genera of Tridentinae from China based on 断之间的相关性 从而确认该属的物种界限和物 Acta Botanica Boreal鄄 , someleaf epidermal characteristics [J]. 种数量 同时也可以利用这些序列建立物种之间 OccidentSinica 西北植物学报 24 , ( ), (9):1691—1696 的系统发育关系 在物种种类和系统发育关 Orinus ChenSL,SylviaM. Philips,2006. [A]. In:WuZY,Raven ; (3) FloraofChina 系清楚的前提下 进而可利用这些居群材料运用 PH,HongDY, [M]. Beijing:SciencePressand , 22 多种分子标记 如 多套核基因座位序列变 St. Louis:MissouriBotanicalGardenPress, :464—465 ( SSR, ChinaPlantBOLGroup, 2011. Comparativeanalysisofalargedata鄄 异等 的群体遗传学数据进行物种形成机制的 ) setindicatesthatinternaltranscribedspacer(ITS) shouldbein鄄 探讨 如 该属中的姊妹种什么时候分化 高原 Proceed鄄 , : , corporatedintothe core barcode for seed plants [J]. 隆升以及第四纪气候变化与它们的分化是否相关 ingsoftheNational Academy of Sciences USA 108 , , : 19641— 联 物种分化过程中是否有基因流 是否存在杂 19646 ? ? Journal of 交成种以及其它物种形成方式 如多倍化 物 Hitchcock AS, 1933. New grasses from Kashmir [J]. ( )? WashingtonAcademyofSciences 23 种形成之后 是否存在快速的扩张等进化问题 , :134—136 耿伯介 刘亮 , 。 KengPC( ),LiouL( ),1960. AstudyonthetribeEr鄄 这些分类学和进化问题的深入研究不仅有助 ChineseBulle鄄 agrostideaeanditstwogeneranewtoChina [J]. 于我们广泛收集种质资源的永久保存和管理 更 tinofBotany 植物学报 9 , ( ), (1):48—75 是有助于开发和利用这些固沙草属种质资源 首 LiDZ,LiuJQ,ChenZDetal.,2011. PlantDNAbarcodinginChina 。 JournalofSystematicsandEvolution 49 先 通过分类和进化研究获得的特殊遗传资源 [J]. , :165—283 , 如多倍化居群或物种 以及种间杂交带或杂交 RiesebergLH,WoodTE,BaackEJ,2006. Thenatureofplantspe鄄 ( , Nature 440 cies [J]. , :524—527 物种 可进一步研究其优于其它物种或者居群 ), SuX,CaiLB,2009. Orinuslongiglumis(Poaceae:chloridoideae), 的适应能力 从而可直接进行引种 扩繁 从而 Annales Bo鄄 , 、 , anewspecies from Xizang (Tibet), China [J]. 利用自然界历史上该属进化导致的优异种质资 taniciFennici 46 , (2):143—147 源 其次 可通过人工种植不同的物种 然后利 PlantaAsiaeCentralium TzvelevNN,1968. Vol.4 [M]. Aedibus: ; , , 用杂交 组织培养等新方法 获得新品种 广泛 Nauka,112—113 、 , , Orinus 推广 最后 利用分子生物学 如基因组学比 ZhangTL,CaiLB,2008. A new species of (Poaceae) from ; , ( Novon 18 较等 遗传学等方法 研究和提取固沙草属的 Qinghai,China [J]. , (2):273—278 )、 , 赵南先 李名飞 ZhaoNX( ),LiMF( ),1994. Newtaxaandnewre鄄 优良抗性基因 再利用转基因技术将它们转入其 Acta Botanica , cordingspecies of Gramineae from Tibet [J]. 它禾本科牧草和农作物 如小麦 中 培育抗 Yunnanica 云南植物研究 16 ( ) , ( ), (3):228—230