新疆单叶蔷薇居群表型变异及多样性研究

【目的】单叶蔷薇为蔷薇属唯一的单叶物种,是月季育种中的重要材料,在我国主要分布于新疆北部地区,但由于人为的破坏和环境的改变导致其面临濒危灭绝的风险。本研究通过分析单叶蔷薇表型多样性,探究其表型变异规律,旨在为更好地保护和利用单叶蔷薇种质资源提供理论指导。【方法】本研究以9个单叶蔷薇天然居群中270个单株为研究材料,对其19个表型性状数据进行收集,利用巢式方差分析、皮尔逊相关性分析、主成分分析和聚类分析方法,探究其表型变异规律与多样性水平。【结果】(1)9个单叶蔷薇天然居群表型多样性水平较高,19个表型性状的变异系数和香农多样性指数均值分别为15.90%和2.031;9个居群的表型变异系数在10.32%(P4)~13.19%(P8),表现出中等程度的变异,香农多样性指数在1.274(P5)~1.825(P8)之间,其中P8居群呈现出较高的多样性水平。(2)19个表型性状在居群间和居群内均存在极显著性差异(P<0.01),居群间的平均表型分化系数为41.23%,表型变异主要来源于居群内。(3)皮尔逊相关性分析发现,单叶蔷薇花径与叶面积、花瓣面积与花斑百分比等部分性状间存在显著相关性。(4)主成分分析共提炼出5个主成分,累计贡献率为80.463%,贡献率最大的2个主成分主要解释花与叶的性状。(5)聚类分析可将单叶蔷薇9个居群分为2类,第1类为大花类,包括P6、P7、P8;第2类为小花类,包括P1、P2、P3、P4、P5、P9。【结论】新疆单叶蔷薇具有较高的表型多样性和变异水平,且变异的来源主要集中在居群内。

单叶蔷薇基因组SSR标记开发与应用

【目的】单叶蔷薇是蔷薇属唯一的单叶物种,目前已被列为国家二级濒危保护植物,开发高效的分子标记可以为单叶蔷薇居群遗传多样性分析、克隆生长格局等研究提供重要的数据支撑,为其居群遗传资源的保育提供理论指导。【方法】利用Krait v1.3软件对单叶蔷薇全基因组序列中1~6核苷酸重复的SSR位点进行搜索并分析其序列特征,进而采用Primer Premier3.0软件设计引物。选取16个单叶蔷薇样本通过琼脂糖凝胶电泳和毛细管电泳检验引物的有效性和多态性。最后用POPGENE32软件和PowerMarker3.25软件对高多态性引物扩增产物数据进行遗传参数分析,利用软件NTSYS-pc2.10对16个单叶蔷薇样本进行聚类分析。【结果】单叶蔷薇基因组序列上共识别出142 083个SSR位点,其中二核苷酸重复类型数目最多,占比46.95%。单核苷酸至六核苷酸重复型中占比最高的基序类型分别为A/T、AT/AT、AAG/CTT、AAAT/ATTT、AAAAT/ATTTT和AAAAAG/CTTTTT,充分表明A/T为优势碱基。单叶蔷薇基因组SSR序列长度变化范围为12~1 026 bp,不同的核苷酸重复类型均呈现长度越长数量越少的规律,区间长度为10~15 bp的SSR位点数量最多,占比47.42%。合成的140对引物中112对可以获得清晰的目的条带,引物有效率为80%;最后筛选出多态性高、稳定性好的14对引物在16份单叶蔷薇样本中检测到等位基因58个,PIC值在0.314 3~0.675 9之间,等位基因数(Na)、有效等位基因数(Ne)、Shannon信息指数(I)及PIC值平均分别为4.142 9、2.576 9、1.080 8和0.529 2。Pearson相关分析结果表明所筛选引物的PIC值与SSR长度间并无显著相关性。通过聚类分析发现,筛选出的14对引物能够将基于不同居群的单叶蔷薇进行较好地区分,遗传相似系数在0.45~0.86之间。【结论】利用单叶蔷薇全基因组大规模开发的SSR标记数量丰富且类型多样,筛选出的高多态性SSR位点将为后续单叶蔷薇居群遗传多样性研究发挥重要作用。

不同潜水埋深对单叶蔷薇实生苗根系生长与构型的影响

目的:为了解单叶蔷薇干旱适应策略并为原生境植被修复提供科学依据。方法:以一年生单叶蔷薇实生苗为研究对象,设置30 cm(D30)、40 cm(D40)、50 cm(D50)、60 cm(D60)和70 cm(D70)5组潜水埋深梯度,利用根系扫描等方法分析其对蔷薇实生苗根系生长和构型的影响。结果:潜水埋深对内部连接总数(a)、外部连接总数(v_(0))、连接总数之和(Pe)、平均拓扑长度(b)和修正拓扑参数q_(a)、q_(b)有显著影响(P<0.05),对拓扑参数Ti无显著影响(P>0.05),q_(a)(0.33~0.73)、q_(b)(0.23~0.88)变化范围较大。整个试验过程根系始终维持50°~60°的低分支角度,但当地下水极端匮乏时(如D70组和对照组CK),根系分支角度有增大趋势。随着干旱胁迫加强,单叶蔷薇实生苗根系的生物量增长速度大于地上生物量增长速度;在D60组、D70组和CK组,根系积累相同生物量,v_(0)的增加速度大于a的增加速度;各组根系分支数增长速度始终小于根系连接数,随干旱程度加深差异呈缩小趋势,以上说明适度的干旱可促进根系分支。结论:单叶蔷薇实生苗根系构型及时响应环境水分变化,适应性极强。

以单叶蔷薇为母本的远缘杂交初探

单叶蔷薇因其带花斑、单叶、无托叶等独特性状以及较强的抗性,在月季育种中潜力巨大。但目前历史上人为直接利用单叶蔷薇为亲本杂交获得可育品种的成功案例仅英国的‘Tigris’一例。本研究以单叶蔷薇为母本开展远缘杂交,结果表明,其分别与绢毛蔷薇、报春刺玫、密刺蔷薇、悬钩子蔷薇杂交的结实率较高并能播种出苗,目前获得一年生子代56株,大部分长势良好。证明了利用单叶蔷薇进行远缘杂交具有较强的可行性,对拓宽单叶蔷薇作为优良基因在现代月季育种中的应用具有重要参考意义。

单叶蔷薇NAC基因家族鉴定及干旱胁迫响应分析

NAC转录因子在植物胁迫应答中起关键作用,单叶蔷薇(Rosa persica)主要分布于我国新疆,研究其耐旱能力对治理荒漠地区生态问题具有重要意义。对单叶蔷薇NAC基因家族进行全基因组鉴定,分析基因家族特征和表达模式,利用RT-qPCR验证NAC基因在干旱胁迫下的表达情况。NAC基因家族的基因特征变化较大,而基因结构和基序相对保守。启动子分析表明RbeNAC在调节激素合成和适应环境胁迫方面具有重要作用。基于转录组数据分析发现RbeNAC基因的表达表现出组织特异性和对干旱胁迫的响应。实时荧光定量PCR(RT-qPCR)结果表明,7个基因(RbeATAF、RbeSOG1、RbeNAC17、RbeNAC71、RbeNAC72、RbeNAC90和RbeNAC96)在根和叶中积极响应干旱胁迫。本研究鉴定了单叶蔷薇NAC基因,初步探究了不同基因可能发挥的功能,获得了7个响应干旱胁迫的候选基因,为后续开展单叶蔷薇抗逆性育种提供参考依据。

基于GIS与AHP分析法的单叶蔷薇生态适宜性评价

生态适宜性评价可了解自然资源的生态潜力和发展制约因素。根据单叶蔷薇的生物学特性,结合研究区气候资源时空分布特征,以新疆塔城4县市(塔城市、托里县、额敏县、裕民县)为研究区域,选取土地利用类型、海拔、年均温度、最冷季度平均温度、年均降雨量、最干月份降水量、土壤pH值、距道路距离、距河流距离9个因子作为生态适宜性评价指标,生态适宜性因子权重通过层次分析法(AHP)确定,基于地理信息系统(GIS)对单叶蔷薇的气候生态适宜性及空间分布进行了分析。结果表明:研究区内单叶蔷薇生态适宜性总体良好,极适宜、高适宜区域呈现以塔额盆地为分布的中心,南部山地西南坡有少数分布的特点,极、高、中、低适宜区分别占比30.7%、23.8%、36.9%、8.6%。采用这种方法,能快速有效地解构单叶蔷薇的野外分布适宜区,为保护单叶蔷薇、增加其栖息地提供依据。

新疆野生单叶蔷薇的显微结构特征

单叶蔷薇[Hulthemia berberifolia(Pall.)Dumort.]是蔷薇科多年生矮小灌木,主要分布在我国新疆地区,具有较强的耐旱性。对单叶蔷薇叶、茎等的显微结构进行研究,结果表明:单叶蔷薇叶片孔下室发达,叶为全栅型;茎的生长轮不明显,木质部、韧皮部发达,导管较多,射线发达,根周皮发达。从结构解剖来看,单叶蔷薇应属于旱生植物。

新疆野生单叶蔷薇生物学特性分析

在我国仅有新疆是单叶蔷薇自然分布区，根据试验观察发现单叶蔷薇的年生长发育期可划分5个不同阶段：萌芽期、展叶期、开花期、成熟期、落叶休眠期。单叶蔷薇对生境土壤的酸碱度适应范围广，在pH值6．5～9．5范围内均可生长，并可分布至轻度盐渍化土壤，能适应极端温度，极端高温42．8℃，极端低温-39．8℃，全年降水量156．7mm情况下也能生长良好。从生物学特性和生态特性的基本规律看，单叶蔷薇属于旱生植物。单叶蔷薇花期4～6月，此期间在新疆开花小灌木植物不多，这对具有特殊气候的新疆来说很有资源价值。

新疆野生单叶蔷薇的染色体核型分析

通过实验发现单叶蔷薇核型组成为2n=2x=14-10m＋4sm，即具有10条中部着丝点染色体，4条近中部着丝点，相对长度最大的是ml，其次是sml、最小的是t10，分别为7．80，6．76，3．70。臂比值在1．12～1．90之间，核型分类属1B。根据核型分类标准发现单叶蔷薇的核型应属于蔷薇属中较特化的类型。

单叶蔷薇的花芽形态分化

单叶蔷薇花芽分化从3月下旬开始至4月下旬完成,历时30d,其过程可分为形态分化前、苞叶原基分化期、萼片原基分化期、花瓣原基分化期、雄蕊原基分化期、雌蕊原基分化期。其中花瓣原基的分化只进行1次,这是形成单轮花瓣的原因。各花器官原基起源于花分生组织的边缘区细胞。生殖生长锥直径和细胞数的增加在生长锥膨大期和心皮分化期较高。

单叶蔷薇bZIP转录因子家族鉴定与表达分析

【目的】筛选单叶蔷薇bZIP转录因子家族的成员,并研究其结构特点、共线性以及在不同器官中的表达模式,为进一步揭示该家族在单叶蔷薇生长发育及抗逆响应中的作用奠定基础。【方法】以采自新疆的单叶蔷薇叶片为试验材料,采用生物信息学方法,对单叶蔷薇全基因组和转录组信息进行分析,包括理化性质、系统发育、基因结构、保守结构域、染色体位置、共线性和启动子分析,以及在根、茎、叶、花、果实中的表达模式。【结果】从单叶蔷薇全基因组中共鉴定出50个单叶蔷薇bZIP转录因子家族成员,其蛋白质长度为149~700个氨基酸,分子质量为17.14~75.47 ku,等电点4.42~10.72,其中49个成员位于细胞核上。根据拟南芥bZIP转录因子家族的分类,将单叶蔷薇bZIP转录因子家族分为12亚族(A-K和S亚族),其中包括1对串联重复和7对片段重复;单叶蔷薇bZIP多含有1~15个与非生物胁迫有关的顺式作用元件。单叶蔷薇bZIP转录因子家族基因在不同器官中均有表达,各成员的表达量存在差异,其中Rbe013649在花中特异性表达,Rbe006639、Rbe028637在根中特异性表达,Rbe004215、Rbe028400、Rbe002636、Rbe002635在果实中特异性表达,Rbe011331在叶片中特异性表达。【结论】单叶蔷薇bZIP转录因子家族基因可能广泛参与各器官生长发育,其中Rbe013649可能调控花青素的合成,Rbe006639可能在抗旱过程中起重要作用。

单叶蔷薇幼苗根系对不同潜水埋深的适应机制

地下水是影响西北地区植被分布、生长和群落演替的重要因子,通过人工装置模拟30 cm(D30)、40 cm(D40)、50 cm(D50)、60 cm(D60)、70 cm(D70)5个潜水梯度,从生长发育、根系形态、拓扑结构与分形维数以及表型可塑性四个方面来分析不同潜水埋深对单叶蔷薇幼苗的影响,力求揭示单叶蔷薇幼苗对不同水分环境的适应性策略,这将对今后开展单叶蔷薇植被恢复和保育工作具有重要价值。研究结果表明:(1)单叶蔷薇幼苗可通过增加扎根深度、总根长、根表面积、根体积、根尖数量、分支数量、地上干物质和根系干物质来应对不同潜水埋深带来的干旱胁迫,D50、D60、D70和CK处理下的幼苗还可以通过提高根冠比来适应更长久的干旱环境。(2)不同潜水埋深处理下,单叶蔷薇幼苗根系的拓扑指数基本保持在0.8—0.9之间,说明该根系属于典型的人字形分支模式,受环境影响较小。其中,短而细的密集细根(0—2 mm)构成了单叶蔷薇幼苗根系的主体。从资源分配的角度来看,该种拓扑结构相对简单、内部竞争较小、碳消耗少,有利于根系扩大土壤资源获取效率,从而保障植株生长发育的物质供需平衡,这是单叶蔷薇对环境胁迫的适应性策略。(3)适度的干旱,如50—70 cm的潜水埋深,可以促进单叶蔷薇幼苗扎根深度;而在较浅的潜水埋深(30—40 cm)环境中,单叶蔷薇幼苗能快速解除干旱,转向地上器官的生长发育,同时它通过降低垂直根系长度、增加分支和根尖数量来获取更多氧气和适应水分充足的新环境,到第75天时生长旺盛,在株高、总根长、根表面积、根体积、根尖数量、分支数量、地上干物质、根系干物质、根组织密度和分形维数10个指标上与CK组具有显著差异,说明单叶蔷薇幼苗对水分充足和严重干旱的极端环境均有较好的适应能力,表型可塑性强。

单叶蔷薇远缘杂交中花粉管生长的荧光显微观察

单叶蔷薇(Rosa persica)具花斑,抗性优良,利用远缘杂交可将其优良特性引入现代月季,培育月季新优品种。为了解蔷薇属各组植物与单叶蔷薇杂交亲和性,提高杂交育种工作效率,以单叶蔷薇与蔷薇属5组植物混合花粉开展远缘杂交试验,同时利用荧光显微镜观察比较花粉授粉后0~48 h,各组柱头萌发情况及花粉管生长动态。杂交结果显示,5组植物与单叶蔷薇杂交均产生后代,坐果率从高到低依次为芹叶组、桂味组、四倍体野生蔷薇组、合柱组、月季组;荧光观察表明,5组花粉均能在单叶蔷薇柱头附着并萌发,但各组花粉萌发情况不一致:授粉后2.5~10 h,花粉在柱头表面萌发,10~24 h花粉管快速生长,34~48 h花粉管到达花柱基部进入子房,芹叶组、桂味组花粉萌发数量与花粉管形成数量显著多于月季组,且萌发速度快于月季组。不同亲本花粉在单叶蔷薇柱头上萌发数量、花粉管伸长速度、数量及胼胝质产生情况与最终杂交坐果率存在对应关系,反映其与单叶蔷薇杂交不亲和原因。研究为高效利用单叶蔷薇培育现代月季新品种提供理论基础。

单叶蔷薇潜在适宜区预测及其渐危机制研究

基于搜集到的45个单叶蔷薇地理分布坐标和29个环境因子数据,利用GIS和MaxEnt软件分析单叶蔷薇在中国新疆的潜在适宜区,探究环境因子与单叶蔷薇分布之间的关系,确定主要影响因子及其阈值,为单叶蔷薇种群资源保护和修复提供科学依据。结果表明:(1)最干月份降水量、年平均降雨量、最冷季节平均温度是影响现代单叶蔷薇适宜区分布的主要影响因子,利于单叶蔷薇生长的上述相关阈值依次为5.56~10.90 mm、169.62~258.75 mm、-12.48~-9.86℃。(2)29个环境因子影响下的现代单叶蔷薇的适宜区总面积达19.85×10^(4) km^(2),占新疆总面积的11.96%,主要集中于80°13′~91°6′E,42°33′~48°23′N之间,高度适宜区仅0.63×10^(4) km^(2),主要分布在乌鲁木齐、阜康、昌吉、呼图壁、玛纳斯、石河子、沙湾、乌苏以及塔城地区。(3)未来气候模拟下,除2021-2040年SSPs126、SSPs245、SSPs585情景中的高度适宜区和2041-2060年SSPs126的中度适宜区面积略有扩增外,其他情景下单叶蔷薇潜在适宜区均呈现明显的缩减趋势;2041-2060年SSPs126情景下分布中心向东南移动,2021-2040年SSPs585情景下分布中心基本保持不变,其他情景下分布中心均出现向高纬度迁移的趋势。(4)加入人类足迹数据后的现代单叶蔷薇适宜区显著减少,人类足迹因子贡献率高达63.2%,表明人类活动对单叶蔷薇适宜区有显著的消极影响。

外源钙对盐胁迫下单叶蔷薇种子萌发和幼苗生长的影响

为探究不同浓度外源钙的施加对盐胁迫下单叶蔷薇种子萌发及幼苗生长抑制的缓解作用,以单叶蔷薇种子和幼苗为实验材料,以不同浓度50,100,150 mmol·L^(-1)氯化钠模拟盐胁迫,通过施加不同浓度的氯化钙测定单叶蔷薇种子的萌发率以及幼苗生理生化指标的变化。结果表明:盐胁迫下,施加外源钙后单叶蔷薇种子的萌发率显著提升,根和茎长度较对照组显著增加,PSⅡ最大光化学量子效率(F_(v)/F_(m))以及实际光量子YⅡ值增加,光合色素的含量上升;显著地提升了单叶蔷薇幼苗的抗氧化酶活性,且过氧化氢H_(2)O_(2)的含量降低。外源钙的施加能够缓解盐胁迫对单叶蔷薇种子萌发的抑制,提升种子萌发率,降低盐胁迫对幼苗的伤害,且当氯化钙的浓度为10 mmol·L^(-1)时对盐胁迫的缓解效果最好。本研究为缓解盐胁迫对单叶蔷薇的伤害提供新的方向,同时为单叶蔷薇资源的保护提供理论支持。

单叶蔷薇种群结构与结实能力

以4个单叶蔷薇种群为研究对象,对年龄结构与动态、空间分布类型、结实能力3个方面进行分析,评价生存状况,探讨单叶蔷薇致危机理。结果表明:单叶蔷薇种群第Ⅰ、Ⅵ~Ⅷ龄级个体数量较少,中间龄级个体数量较多,总体呈“中间高、两侧低”的不规则金字塔型分布。虽然4个单叶蔷薇种群整体上为增长型,但易受外部环境干扰(V_(pi)′>0,P_(max)>0),死亡率(q_(x))和消失率(K_(x))均在第Ⅴ龄级时达到最大值,植株数量锐减;期望寿命(e_(x))随龄级增加呈递减趋势,且均在第Ⅷ龄级时出现最小值,说明在此阶段植株活力最低。时间序列分析表明,未来4个单叶蔷薇种群的第Ⅰ~Ⅳ龄级个体数量缺乏,第Ⅴ~Ⅷ龄级将占主导地位,单叶蔷薇种群在未来会趋于老龄化。种群空间分布主要为聚集类型,4个种群的聚集强度大小排布为P_(4)>P_(3)>P_(1)>P_(2)。P_(3)、P_(4)种群植株结实能力优于P_(1)、P_(2)种群。百果重与株高、冠幅,种子总数量与冠幅、百果重之间呈显著正相关。

新疆14种野生蔷薇属植物生境调查

以仅分布或主要分布于新疆的14种野生蔷薇属植物为对象，在资料查询的基础上，采用野外调查方法、生境分析法，对这些植物分布地的地形、地势、伴生植物以及气象因子等进行实地调查和分析。结果表明：腺果蔷薇和刺蔷薇生长于阴坡，其余均生长于阳坡；单叶蔷薇、小檗叶蔷薇、疏花蔷薇海拔分布低于1000 m，其余均分布在海拔1000～2000 m内。基于分布区的气候特点推断，这些植物能适应较大幅度的年温度变化和干旱环境，其中腺齿蔷薇的耐寒性最强，单叶蔷薇、小檗叶蔷薇的耐热性最强。基于伴生植物相似性分析，将这些植物分为5组，其中第5组（单叶蔷薇和小檗叶蔷薇）与其他各组差异最大。基于海拔分布相关性分析明确单叶蔷薇和小檗叶蔷薇、腺果蔷薇和刺蔷薇、伊犁蔷薇和疏刺蔷薇的海拔分布范围都分别表现为极显著相关；以其中应用价值较高但数量正在急剧减少的单叶蔷薇为对象，进行6个主要分布区共18个样地的典范对应分析（CCA），发现海拔、年降水量和7月平均温度是影响单叶蔷薇分布的主要因子。