公路阻碍作用对古尔班通古特沙漠南缘羽毛针禾种群基因流的影响

张丽霞　张霞　王绍明　杨美玲

摘要：以新疆古尔班通古特沙漠南缘3条典型沙漠公路两侧的羽毛针禾（Stipagrostis pennata）为研究对象，利用17对微卫星标记（又称为简单重复序列，简称SSR），探讨公路对阜康、沙湾和148团3个种群基因流的影响。单因素方差分析结果表明，平均等位基因数、有效等位基因数、Shannon多样性指数、观测杂合度、预期杂合度和Neis多样性指数在阜康种群和148团种群间整体上存在显著差异，在阜康种群和沙湾种群间均不存在显著差异，在沙湾种群和148团种群间只有观测杂合度存在显著差异，其余遗传多样性指标在沙湾种群和148团种群间均不存在显著差异;遗传分化系数和基因流在3个种群的两两间均存在显著差异。从长远上看，公路对羽毛针禾种群间的基因流起到一定的阻碍作用，此外，种群间的基因流还受到农田开垦和水库修建的影响。

关键词：羽毛针禾;基因流;公路阻隔;古尔班通古特沙漠

中图分类号： S759.95文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）09-0104-06

基因流是指种群间及种群内的基因通过生物个体或者其配子体等遗传物质，随着携带者从一个群体流动到另一个群体而产生的基因流动。如果种群间的基因流高，最后基因频率会变得一致，基因流趋向于阻止种群之间产生遗传上的差异。大多数关于植物基因流的研究认为，地理隔离是影响植物种群遗传结构的主要因素之一[1-4]。种群的物理隔离，无论是自然隔离（高山、峡谷、河流、湖泊和冰川），还是人为造成的隔离（例如公路、隧道和墙壁），都造成了适宜生境的不连续性，这可能会限制或阻止基因流动，最终导致隔离的种群间出现较高的遗传分化[5-12]。此外，植物种群的基因流也可能是由其他生物学特性或进化过程引起的，如传粉生物学特性[13]、交配系统[14-15]、种子散布方式[16]、花期或传粉媒介（花粉交换只能发生在拥有共同传粉媒介且同时开花的个体间）[17]、气候因素（如风速和风向、昼夜温度、光和空气相对湿度）[18-20]等。羽毛针禾（Stipagrostis pennata）为多年生草本植物，具有抗旱、耐风蚀、耐沙埋的特点，是一种生长在古尔班通古特沙漠南缘流动、半流动沙丘或沙垄上的优秀的固沙植物。长期以来，随着经济的发展，古尔班通古特沙漠南缘羽毛针禾种群受到公路工程、引水工程、石油开采、农田开垦等不同程度的扰动，造成连续种群分化成不连续的亚种群，限制或阻止了其基因流动，导致种群间出现遗传分化。本研究利用简单重复序列（simple sequence repeats，简称SSR）分子标记技术对新疆准噶尔盆地典型沙漠公路两侧的羽毛针禾亚种群进行研究，探讨沙漠公路工程对羽毛针禾遗传信息的影响，对理解羽毛针禾植物种群的动态及设计合理的管理策略以有效保护羽毛针禾类植物有重要的参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概況

本研究区位于古尔班通古特沙漠南缘，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条沙漠公路中对阜康（简称FK）种群起阻隔作用的是国道216线五彩湾—大黄山高速公路段。该段于2011年4月至2013年10月修建，起点位于火烧山岔路口附近，终点为幸福路口立交，主线全长101 km，为四车道高速公路，设计速度为120 km/h。该公路段于2013年12月通车，省道201线是克拉玛依至榆树沟公路，简称克榆公路。该公路起点为克拉玛依市，止于昌吉市榆树沟镇，全长254 km，拟设计车速为 100 km/h、路基宽度为25.5 m的标准一级公路。该项工程的建设时间是2003年8月至2006年11月，2006年12月通车。对沙湾（简称SW）种群起阻隔作用的S201公路段位于四道河子镇，省道204线是从莫索湾至石河子的公路。该公路的起点为莫索湾，经149团、148团、六户地，止于石河子市。该公路建于1966年，路面问题严重，拥包、坑槽多，平整度差。在2010年和2013年分别对该公路进行施工养护。对148团种群起阻隔作用的S204公路段位于新疆生产建设兵团农八师148团，其中阜康种群为南北走向，各亚种群周围没有农田;沙湾种群的沙漠公路为东西走向，各个亚种群周围有农田;148团种群的沙漠公路为南北走向，各亚种群周围有水库和农田。

1.2 野外取样

于2014年5月16—18日、2015年5月9—24日，在阜康、沙湾和148团3个羽毛针禾种群公路的两侧，选择左右对称、走势较好的沙丘，3个种群每侧选取的亚种群数在阜康、沙湾、148团分别为6、4、3个，同侧亚种群的间隔为5～8 km，每个亚种群取20丛。前人的研究结果表明，种子散布和花粉扩散大概辐射在距其母株4 m的范围内，因此，为了避免采集到近亲繁殖的植株，株丛间距设为5 m以上。采集新鲜、幼嫩的叶片，就地用硅胶干燥后保存于自封袋中，带回实验室后于 -20 ℃ 保存。用全球定位系统（GPS）定位仪记录采样点的经纬度及海拔。样地分布示意见图1。

1.3 基因组DNA的提取

参照天根生化科技（北京）有限公司的新型植物基因组DNA提取试剂盒的说明书，并稍加改动（在漩涡仪上振荡的时间、离心时间和在室温下放置的时间延长到原来的2倍）提取羽毛针禾基因组DNA。

1.4 SSR扩增及产物的检测

参考已发表的羽毛针禾[21-22]、野生水稻[23-25]的SSR引物，共筛选出17对扩增效果好、多态性高的引物（表1），由上海捷锐生物工程公司合成。PCR扩增反应体系（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。反应程序：94 ℃预变性 5 min;94 ℃变性45 s，50 ℃退火45 s，72 ℃延伸1 min，共36个循环;72 ℃延伸10 min。扩增产物用6%非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳检测，银染。