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植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2020, 55 (6): 693–704, www.chinbullbotany.com doi: 10.11983/CBB20006 ·研究报告· 北京地区芦苇资源状态及其多样性 张茜, 裘天航, 王安安, 周华健, 袁敏, 李利, 白素兰, 崔素霞* 首都师范大学生命科学学院, 北京 100048 摘要 为探明北京地区芦苇(Phragmites australis)的资源状态和多样性, 实地考察北京主要河流、湿地和水库, 发现北京 地区芦苇总生长面积已超过600 hm2。芦苇染色体倍性以八倍体为主, 四倍体次之。在面积较大的湿地内, 八倍体单一芦苇 群落占据优势地位; 而在城市的浅河内有形态和遗传性多样的混合种群。研究表明, 植物性状和倍性水平之间无显著相关 性。在小清河发现了6种形态各异的芦苇克隆, 均属于叶绿体DNA片段的P单倍型; 其单倍体基因组大小为(0.499±0.019) pg, 变异系数为3.8%。这表明表型与单倍型之间也不具相关性。此外, 发现1个具有变叶特性的芦苇, 将其命名为金条芦苇。 北京地区芦苇形态和遗传多样性为研究芦苇基因型与环境适应性之间的关系提供了珍贵的资源。 关键词 染色体倍性, 单倍型, 芦苇, 多态性, 变种 张茜, 裘天航, 王安安, 周华健, 袁敏, 李利, 白素兰, 崔素霞 (2020). 北京地区芦苇资源状态及其多样性. 植物学报 55, 693–704. 芦苇(Phragmites australis)是一种典型的湿地水 四倍体、六倍体、八倍体、十倍体, 甚至十二倍体的 生植物, 但能生长在盐渍干旱的恶劣环境以及富营养 芦苇均有报道(Gorenflflot, 1986; Clevering and Lis- 化的污染水域, 并成为其生境内的优势物种(Cleve- sner, 1999)。四倍体和八倍体芦苇占据主要地位。在 ring and Lissner, 1999; Saltonstall, 2002; Cui et al., 美洲, 芦苇常被列为入侵物种, 这与其染色体组的高 2009)。由于强大的环境适应能力, 芦苇成功地分布 倍性以及强大的环境适应性密切相关(Meyerson et 于全世界。鉴于芦苇生境的广布性、强大的环境适应 al., 2009)。在中国, 芦苇的生长和分布面积极广, 有 性以及对环境的高度敏感性, 使其成为一个可选的环 6 2 14个主要分布区, 总面积约1.3×10 hm (郭春秀等, 境监测物种。一项大规模的综合研究证明, 芦苇的一 2012), 其中八倍体芦苇占绝对优势(Clevering and 些生态种群能对全球生态变化, 如温度、大气中CO2 Lissner, 1999; Cui et al., 2002)。然而, 这种全球分 浓度、干旱、洪涝、盐渍以及富营养化做出响应(Eller 布广泛、自然生长面积巨大的物种在种内的分类依然 et al., 2017)。北京地处海河流域, 境内有永定河、潮 不清楚。有的以生境特点命名为各类生态型, 如沼泽 白河、北运河、大清河和蓟运河五大水系, 自古以来 芦苇和沙丘芦苇(张承烈和陈国仓, 1991); 有些则直 就有大面积的芦苇分布。近年来, 随着湿地恢复、河 接以栖息地为名, 如白洋淀苇、博斯腾苇、黑龙江苇 流整治、污染治理的需求增大, 芦苇的生长恢复面积 和盘锦苇(李建国等, 2004)。其主要原因是芦苇在株 越来越大。但对北京地区芦苇的研究尚属空白, 其分 高、叶片形态、花序及群落等方面都有极高的环境可 布面积、生境、染色体倍性、遗传多样性和环境可塑 塑性(Haslam, 1970), 在种内多呈现形态上的重叠, 性等生物学问题基本无资料记述, 成为环境监测和开 因此很难依据形态特征加以区分(Clayton, 1967)。近 发利用的首要障碍。 年来, 以分子标记为分类依据的研究已逐渐展开。其 芦苇是具有高倍性染色体组的物种, 从已消失的 中, 以叶绿体基因组非编码区片段变异的单倍型分类 二倍体(Dykyjová and Pazourková, 1979)到三倍体、 方法(Saltonstall, 2002)受到普遍认可。在此基础上, —————————————————— 收稿日期: 2020-01-14; 接受日期: 2020-08-26 基金项目: 科技创新服务能力建设-基本科研业务费(科研类) (No.19530050183) * 通讯作者。E-mail: sxcui@cnu.edu.cn © 植物学报 Chinese Bulletin of Botany 694 植物学报 55(6) 2020 研 究 者完 成了 中 国北 方芦 苇 和西 南芦 苇 的叶 绿体 析时用刀片切碎叶片, 加入特制的缓冲液(北京蔬菜 DNA片段单倍型分类, 发现西北地区的芦苇以单倍 研究所提供)混匀并过滤以获得细胞核, 进行DAPI染 型O和M型为主; 东北和华北地区则主要以M和P型 色。测试仪器为FACSCalibur流式细胞仪(BD公司, 为主(An et al., 2012); 但西南芦苇以I、P、Q和U型 美国), 用CellQuest软件获取数据, 并用ModFit软件 为主(Tanaka et al., 2017)。遗憾的是, 这种分类方式 (Verity Software House公司)进行结果分析。因芦苇 缺乏芦苇单倍型与表型之间的对应关系描述, 在研究 群体之间基因组差异较大, 本研究采用二次内参法计 和实践中都难以应用。 算基因组大小并推算染色体倍性。首先用基因组大小 芦苇的生态和经济价值很高。在经济领域, 芦苇 已知的水稻日本晴(Oryza sativa L. cv. ‘Nipponbare’) 是传统的造纸原料, 亦可用于建筑材料、饲料和燃料, 为内参(Wang et al., 2018, 2C=0.795 pg), 检测并计 此外还是不可缺少的景观植物。然而, 芦苇更重要的 算出1个四倍体芦苇的基因组大小(4x=2.253 pg); 再 作用是在生态领域, 它是湿地生态系统中的优势种 以此为内参, 检测八倍体芦苇。以染色体压片确定的 群, 可以涵养水源、维护生态系统平衡(张兵, 2008; 四倍体芦苇(4x=48)和八倍体芦苇(8x=96)为参考(Cui 程杰, 2013)。近年来, 由于人类活动的侵扰, 工业、 et al., 2002), 推测所有分析样品的倍性水平。基因组 农业和生活污水排放加剧了环境水体的污染, 芦苇又 大 小 (pg DNA)=(样 品G1峰 平 均 值 /内 参 G1峰 平均 成为最常用的湿地和水体修复植物(Ahmed, 2017)。 值)×内参基因组大小; 单倍体基因组大小(即单倍体 综上, 芦苇因其生境的广布性、巨大的生物量以及对 染色体组的DNA含量Cx值)为基因组大小/倍性水平。 环境的高度敏感性和适应性, 加之其复杂的遗传多样 性和庞大的基因资源, 成为当前研究的热点。本文详 1.3 细阐述了北京地区芦苇的资源状态。通过对五大水系 小清河样地位于北京西南的小清河中段(116.21°E, 的主要河流、湿地、水库和大型公园进行实地考察, 发 39.70°N)。取样时检测水深、水温、pH值以及溶解氧 现芦苇是北京地区占地面积非常大的植物种类, 总生 水平(HI9142溶解氧测量仪, HANNA, 意大利)。在芦 2 小清河样地芦苇表型特征和单倍体分型 长面积已超过600 hm , 染色体组以八倍体为主, 四 苇开花后期, 选择6个不同形态的芦苇克隆群体 倍体次之, 并且具有形态和遗传多样性。 (C1–C6)进行形态指标的检测, 并进行主成分分析 (PCA)。同时采集新鲜叶片于–80°C冻存, 采用CTAB 1 材料与方法 法(Porebski et al., 1997)提取基因组DNA。叶绿体 DNA 片 段 单 倍 型 的 鉴 别 按 照 Taberlet 等 (1991) 和 1.1 芦苇的生长面积和形态指标检测 Saltonstall (2001)的方法, 针对叶绿体基因组中的2 测算芦苇(Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud 段非编码区trnT–trnL及rbcL–psaI设计2对引物。即 var. australis)的生长面积以公顷为单位。在植物生长 TF (5'-CATTACAAATGCGATGCTCT-3') 和 TR (5'- 季节(5–10月)实地考察北京地区五大水系(永定河水 TCTACCGATTTCGCCATATC-3')以及RF (5'-TG- 系、大清河水系、潮白河水系、北运河水系和蓟运河 TACAAGCTCGTAACGAAGG-3')和RR (5'-CTAAG- 水系)中的湿地、河流和水库中的芦苇生长范围, 利用 CCTACTAAAGGCACG-3')。获得长度分别为906 卫星地图和地图尺App计算其生长面积, 同时记录地 和 1 115 bp 的 片 段 后 进 行 测 序 ( 金 唯 智 公 司 ) 。 用 理位置坐标。在芦苇开花后期, 选择成熟植株(每采样 CLUSTAL X软件完成序列对比, 单倍型的命名按 点n=10)测量株高、基径和旗叶等各类形态指标, 并 Saltonstall (2016)的方式完成。 采集花序于体视显微镜下观察小穗和小花形态。 1.4 1.2 金条芦苇的鉴定及标本制作 用流式细胞仪分析基因组大小和染色体倍性 金条芦苇的鉴定根据表型、基因组大小和叶绿体基因 采用流式细胞仪分析芦苇基因组大小及染色体倍性 组部分区段的大小来完成。基因组大小用流式细胞仪 (Doležel, 2007; Meyerson et al., 2016)。在野外采集 进 行 检 测 , 并 推 测 染 色体 倍 性 。 金条 芦 苇 (Phrag- 幼嫩的芦苇叶片, 用湿纱布包裹后置于4°C冰箱。分 mites australis f. Goldstripes)和园艺植物变叶芦竹 © 植物学报 Chinese Bulletin of Botany 张茜等: 北京地区芦苇资源状态及其多样性 695 (Arundo donax L. var. versicolor)在叶片形态上有些 见。例如, 在奥森公园、南海子公园和莲石湖公园都 相似, 但在其叶绿体基因组中有一段长度差异非常显 存在黄色花序和紫色花序的芦苇(黄苇、紫苇)。特别 著 的 序 列 。 通 过 设 计 特 异 性 引 物 , 即 F-trnG-UCC 值得关注的是, 在城市边缘的一些自然河流之中, 芦 (5'-CATAAATCCCTTTCTTCC-3') 和 R-trnT-GGU 苇的形态多态性更加丰富。调查结果显示, 属于大清 (5'-GATCTTTAGGCTATTCACTT-3'), 可 以 在 分 子 河流域的小清河部分河段中, 芦苇的形态多态性以及 水平上区分这2种植物。采用CTAB法提取基因组 遗传多态性都非常丰富。我们发现在一个面积仅为 DNA, 然后进行PCR扩增。金条芦苇和变叶芦竹PCR 0.15 hm2的小样地中就分布着表型差异极显著的6个 产物的片段大小分别为1 069和607 bp。金条芦苇标 芦苇克隆群体(C1–C6, 图2)。该小样地位于小清河下 本由首都师范大学植物标本馆(BGTC004950)进行压 游, 一年之中水深变化范围为0.5–1 m, 7月中旬平均 片制作并保存。 水温为27.3°C, pH7.8, 溶解氧为5.7 mg·L–1。由于上 下游有橡胶坝, 小样地的水流缓慢。鉴于小样地生态 2 因子的一致性, 我们认为其适于进行芦苇群体的形态 结果与讨论 差异和遗传学差异研究。 2.1 芦苇的分布、面积及染色体倍性 通过流式细胞术分析, 我们从该小样地中鉴定出 经实地勘测, 结合卫星地图和地图尺App的测算, 结 2 5个八倍体克隆和1个四倍体克隆(表2)。值得一提的 果显示, 北京地区芦苇分布广泛, 总面积达645 hm 。 是, 小清河四倍体克隆是我们在北京地区自然生境下 在北京市5个主要水系中, 永定河水系和潮白河水系 找到的唯一四倍体芦苇群体, 极具研究价值。6个芦 芦苇分布最多, 占总面积的78%, 是芦苇主要分布 苇克隆的形态学指标, 包括株高、茎秆基径、第六叶 区; 其它3个水系(即大清河、北运河和蓟运河水系) 和旗叶的长与宽以及花序大小(表2)。通过对形态学指 中芦苇分布相对较少, 是次要分布区。从具体地点来 标进行成对的数据相关性及回归分析, 我们发现芦苇 看, 分布面积最大的区域是野鸭湖国家湿地公园, 其 的株高和茎秆基径之间呈线性正相关(图2B), 但四倍 芦苇面积占北京市芦苇总面积的39.9%; 其次是汉石 体芦苇C1在株高和基径方面都显著高于其它5个八 桥湿地公园(占13.0%)和翠湖湿地公园(占7.0%)。按 倍体芦苇(C2–C6)。主成分分析显示, 上述6个芦苇克 河流计算, 芦苇分布较多的有潮河、潮白河、永定河 隆可以清晰地分开, 且四倍体C1独立于其它克隆, 和小清河(图1A; 表1)。 与八倍体C6最为相近, 而与同是八倍体的C2却相差 用流式细胞仪检测了21个芦苇生长点中94个样 最远(图2C)。此外, 这些芦苇克隆在花序大小方面 品的基因组大小, 并获得它们的染色体倍性。结果表 变化很大。成熟花序的长度从大到小依次为C5>C4> 明, 北京市的芦苇以八倍体为主(占总样品数62.5%), C6>C1>C2>C3, 而 宽 度 从 大 到 小 依 次 为 C2>C6> 而四倍体芦苇比较少见(图1; 表1)。在芦苇分布面积 C4>C5>C1>C3。其中, 四倍体C1的花序较小(22.3/ 最大的3个湿地公园中, 单一的八倍体芦苇群体占绝 4.3 cm), 而最小的花序是八倍体C3 (20.3/3.3 cm)。 对优势。反之, 四倍体芦苇多散生于八倍体芦苇群体 总体上, 八倍体C6的花序比较大(26.5/6.9 cm)。表3 中, 少有独立的单一种群存在(表1)。这一特点成为研 显示, 小清河芦苇群体在形态上的变异系数均较大, 究北京地区芦苇倍性和表型之间关系的一大障碍。 其中花序宽度变异最高。 在体视显微镜下, 不同芦苇克隆的小穗有3–6朵 2.2 芦苇的形态和遗传多态性 不等的小花, 每朵小花都具有3个雄蕊和1个雌蕊。但 北京地区芦苇具有多种形态多态性。在分布量较大的 小穗的颖片、小花的外稃和内稃以及花药的颜色有明 湿地公园, 通常都有2–3种形态多态型。例如, 在汉石 显差异, 常见的有黄色、褐色和紫色(图2D)。值得注 桥湿地, 有茎秆粗细差异明显但均为八倍体的2种芦 意的是, 株高最矮的芦苇C2拥有最宽且短的花序, 苇(粗苇、细苇); 在翠湖湿地公园和奥森公园湿地, 则 因其小穗的颖片、小花的外稃和内稃以及花药都呈紫 存在株高差异巨大亦都是八倍体的2种芦苇(高苇、矮 色, 使得整个花序都表现紫色; 而株高最高的四倍体 苇)。在人工景观公园和湿地, 花序颜色的差异明显可 C1花序较小, 颖片、外稃和内稃仅在基部呈现紫色, © 植物学报 Chinese Bulletin of Botany 696 植物学报 55(6) 2020 图1 北京地区的芦苇分布和染色体倍性分析 (A) 北京地区芦苇分布(芦苇的主要分布区域以红点标注, 并依照水系进行编号: 永定河水系(Y)、潮白河水系(C)、北运河水系(B)、 大运河水系(D)和蓟运河水系(J); 蓝色表示河流、湖泊或人造水库); (B)–(E) 用流式细胞术检测芦苇染色体倍性(横坐标为通道的荧 光强度, 纵坐标为细胞核数目; G1和G2期分别用深红色和浅红色表示; 碎片和聚集体分别用灰紫色和绿色表示)。图(B)和(C)以水稻 为内参, 检测四倍体芦苇; 图(D)和(E)以四倍体芦苇为内参, 检测八倍体芦苇。 Figure 1 Distribution and chromosome ploidy of Phragmites australis in Beijing (A) Distribution of reeds in Beijing (The main distribution areas of reeds are marked by red dots and numbered according to the water system: Yongding River System (Y), Chaobai River System (C), North Canal System (B), Grand Canal System (D), Ji Canal System (J); Blue indicates rivers, lakes or artificial reservoirs); (B)–(E) Detection of reed chromosome ploidy by flow cytometry (The abscissa is the fluorescence intensity of the channel, and the ordinate is the number of nuclei; G1 and G2 phases are indicated by dark red and light red, respectively; fragments and aggregates are indicated by gray-purple and green, respectively). Figures (B) and (C) detected the tetraploid reeds using rice as the internal reference; Figures (D) and (E) detected the octaploid reeds using the tetraploid reeds as the internal reference. 表1 北京地区芦苇的分布地点、面积和染色体倍性 Table 1 The distribution, area and ploidy level of Phragmites australis in Beijing Water system Distribution location Distribution description Yongding River System Y01 Weishui River Y02 Guanting Reservoir (in Beijing) Wild Duck Lake National Wetland Park Y03 Distributed at both sides of the west of the Weishui River Tunnel passes through the World Horticultural, exposition to Yankang Road Scattered along the bank about 15 km west of the Guanting Bridge Distributed in patches in the core area, buffer zone, and test area Area (hm2) Proportion (%) 304.11 47.16 5.14 Ploidy level Origin 0.80 NA 115.95°E, 40.45°N 0.21 0.03 8x/4x 257.40 39.92 8x 115.87°E, 40.44°N 115.86°E, 40.41°N © 植物学报 Chinese Bulletin of Botany 张茜等: 北京地区芦苇资源状态及其多样性 697 表1 (续) Table 1 (continued) Water system Area (hm2) Proportion (%) Ploidy level Origin Distributed along the river bank 8.31 1.29 NA Distributed in patches 4.60 0.71 8x Distributed along both banks of the river 2.12 0.33 8x Distributed in patches 16.30 2.53 NA Distributed in patches along the coast 9.71 1.51 NA Distributed around the shore of a lake in the park 0.32 0.05 NA 116.09°E, 39.99°N 116.10°E, 39.97°N 116.15°E, 39.90°N 116.21°E, 39.87°N 116.22°E, 39.84°N 116.31°E, 39.71°N 58.63 9.09 13.17 2.04 NA 5.42 0.84 8x 20.02 3.10 8x/4x 16.41 2.54 NA 0.31 0.05 8x 3.30 0.51 NA Chaobai River System 196.83 30.52 C01 0.06 0.01 4x 116.66°E, 40.48°N 0.83 0.13 8x 38.23 5.93 8x/4x 116.60°E, 40.40°N 116.94°E, 40.40°N 7.08 1.10 8x 10.83 1.68 8x 18.94 2.94 NA 83.95 13.02 8x NA Y04 Y05 Y06 Y07 Distribution location Shanxia Section of Yongding River Sanjiadian Rush Wetland Park Lianshi Lake Park Y08 Yuanbo Lake Wetland Ludi Park Y09 Niantan Park Distribution description Daqing River System D01 D02 Chongqing Reservoir Jiuzi River D03 Xiaoqing River D04 Dashi River D05 Juma River D06 Beijuma River Distributed in patches in the southwest corner of the reservoir Distributed in the upper reaches of Xiaoqing River Distributed in patches along the river from the south of Shuisi Road to the junction of Hedgehog River Distributed along the north and south rivers of Jingzhou Road Sporadic distribution from Shidu to Yesanpo Distributed in patches at the Beijing border of the North Juma River Estuary Qinglong Gorge Sporadically distributed from the upper reaches of Qinglong Gorge to Baiquan Mountain C02 Yanqi Lake Artificial reed landscape at the northwest corner of the lake C03 Chao River Distributed in patches about 7 km along the river near Miyun Service Area of Dachang Expressway C04 The estuary of Upper reaches of Chao River and Bai Chaobai River River cross estuary C05 Huai River About 4.5 km from Huairou Reservoir to Yanqi River junction C06 Chaobai River Piled up along the bank of Fuxing BridBridge ge/Fengbo Bridge/Chaobai River Bridge in Shunping Road C07 Hanshiqiao Wetland Distributed in pieces of the core area, Park buffer zone and recovery area C08 Binhe Forest Park Distributed along the north and south banks of Chaobai River North Canal Water System 36.91 5.72 82.91 12.86 B01 Lily Reservoir 0.05 0.01 8x B02 Taoyukou Reservoir 9.46 1.47 8x B03 Wenyu River 0.21 0.03 NA B04 Shahezha Park 0.34 0.05 8x Distributed in upstream area of the reservoir Distributed in periphery and upstream areas of the east and west sides of the reservoir Scattered along the middle and upper banks of Wenyu River Distributed in patches in the west bank of the lake in the park 116.08°E, 39.79°N 116.19°E, 39.75°N 116.20°E, 39.72°N 116.03°E, 39.70°N 115.51°E, 39.66°N 115.76°E, 39.53°N 116.83°E, 40.35°N 116.63°E, 40.31°N 116.69°E, 40.12°N 116.80°E, 40.12°N 116.72°E, 40.11°N 116.38°E, 40.32°N 116.45°E, 40.24°N 116.42°E, 40.15°N 116.31°E, 40.13°N © 植物学报 Chinese Bulletin of Botany 698 植物学报 55(6) 2020 表1 (续) Table 1 (continued) Water system B05 B06 B07 B08 B09 B10 B11 Distribution location Distribution description Area (hm2) Proportion (%) Ploidy level Origin 45.38 7.04 8x 0.81 0.13 8x/4x 116.19°E, 40.11°N 116.21°E, 40.11°N 8.29 1.29 8x 5.04 0.78 8x/4x 0.12 0.02 NA 6.51 1.01 NA 6.70 1.04 8x/4x 2.37 0.37 2.03 0.31 NA 0.34 0.05 NA Cuihu Wetland Park Shangzhuang Reservoir Uneven distribution on the wet land in protected areas and open areas Evenly distributed along the bank of Shangzhuang Reservoir and scattered along the downstream bank Nansha River Discontinuous distribution in the 10 km section near Daoxiang Lake Olympic Distributed at the west side of Wetland in Forest Park Southern District and the east side around the lake Summer Palace Mixed distribution of calamus on the shore near Zaojiantang site Grand Canal Distributed on the semi-arid coastal wetlands Forest Park in popular reeds Nanhaizi Park Distribution of small pieces of lakeshore in the park Jiyun River System J01 Ju River and Ru River Jinji River J02 Sporadically distributed at the confluence of the Ru River and the Ju River The junction of Jinji River and Yanghe River to the vicinity of Yingcheng Village 116.15°E, 40.10°N 116.39°E, 40.01°N 116.27°E, 39.99°N 116.75°E, 39.87°N 116.47°E, 39.77°N 117.06°E, 40.11°N 117.02°E, 40.08°N 表2 北京小清河样地芦苇克隆的形态学指标(平均值±标准差, n=10)、染色体倍性、基因组大小和单倍型 Table 2 Morphological indexes (means±SD, n=10), ploidy level, genome size and haplotype of Phragmites australis clones in Xiaoqing River plot, Beijing Clones Height (m) Diameter (mm) Flag leaf The sixth leaf Inflorescences Ploidy Genome Haplolevel size (pg) type Length (cm) Width (cm) Length (cm) Width (cm) Length (cm) Width (cm) C1 3.8±0.3 13.10±1.23 33.6±5.1 1.5±0.4 58.8±4.3 3.4±0.5 22.3±5.4 4.3±4.6 4x 2.01 P C2 1.7±0.2 5.88±0.81 26.2±6.3 1.1±0.3 29.2±5.3 1.6±0.2 21.0±6.1 10.0±5.4 8x 4.22 P C3 2.4±0.3 6.57±1.19 28.5±3.5 1.4±0.3 18.8±3.0 2.9±0.3 20.3±3.8 3.3±1.0 8x 3.87 P C4 2.5±0.2 8.81±0.83 32.6±5.9 1.3±0.5 43.8±8.2 2.4±0.4 26.7±4.9 6.2±1.7 8x 3.88 P C5 2.6±0.3 7.88±0.96 40.8±7.3 1.7±0.5 45.9±6.0 2.8±0.6 30.6±4.4 5.6±1.2 8x 4.13 P C6 3.3±0.4 11.00±0.87 30.3±6.3 1.8±0.5 44.0±6.3 3.9±0.7 26.5±3.5 6.9±2.5 8x 4.00 P 表3 北京小清河样地芦苇克隆群体的形态多态性和变异系数(n=59) Table 3 Morphological polymorphism and variation coefficient in Phragmites australis clone populations in Xiaoqing River plot, Beijing (n=59) Phenotype Mean Maximum Minimum Standard deviation Variation coefficient (%) Height (m) 2.74 4.25 1.34 0.75 27.48 Diameter (mm) 9.02 15.93 3.56 2.77 30.76 Inflorescences length (cm) 24.21 36.20 10.40 5.77 23.85 Inflorescences width (cm) 5.92 17.08 1.39 3.70 62.55 Length of flag leaf (cm) 31.57 53.10 15.40 7.06 22.37 Width of flag leaf (cm) 1.46 2.51 0.51 0.46 31.31 Length of the sixth leaf (cm) 39.41 62.30 15.30 14.19 36.02 Width of the sixth leaf (cm) 2.82 4.98 1.31 0.86 30.63 © 植物学报 Chinese Bulletin of Botany 张茜等: 北京地区芦苇资源状态及其多样性 699 图2 北京地区小清河样地芦苇多态性分析 (A) 小清河样地全景图(6个芦苇克隆群体C1–C6分别用不同颜色的矩形虚线框标出); (B) 6个芦苇群体的株高和基径的相关性分析 (灰色阴影部分为回归区间, 红色虚线为最佳回归曲线); (C) 芦苇多态性的主成分分析(依据表2中8项形态学指标绘制), 按照置信概 率95%框选每种芦苇群体; (D) 芦苇小穗的代表性照片(bars=5 mm) Figure 2 Polymorphism analysis of Phragmites australis in the Xiaoqing River plot (A) Panoramic view of the Xiaoqing River plot (six different reed clones C1–C6 are marked by rectangular dashed boxes of different colors); (B) Correlation analysis of height and base diameter of six different reed clones (The gray shaded part is the regression interval, and the red dotted line is the best regression curve); (C) Principal component analysis of polymorphism in the reed plot of Xiaoqing River (based on eight morphological indicators of six species of reed clones in Table 2), selecting each reed clone according to 95% confidence probability; (D) Representative photos of spikelets (bars=5 mm) 因而整个花序的紫色要逊于C2。综合上述形态指标、 大小为(4.02±0.15) pg, 变化范围为3.87–4.22 pg。然 小穗和花的颜色变化可知, 小清河样地芦苇的形态多 而, 根据Saltonstall (2016)建立的叶绿体DNA片段单 态性很高。 倍型系统, 对这些形态和基因组大小有明显差异的芦 形态多态性在一定程度上可反映遗传多态性。小 苇群体进行溯源, 发现这6个芦苇克隆均为P型。其中, 清 河 6 个 芦 苇 克 隆 的 单 倍 体 基 因 组 大 小 (Cx 值 ) 为 利用特异性引物所获得的1个叶绿体非编码区域 (0.499±0.019) pg, 变异系数为3.8%。表2显示每个克 trnT– trnL为906 bp, 与T1 (AY016324)完全匹配, 而 隆的基因组大小, 其中5个八倍体芦苇的平均基因组 另1个叶绿体非编码区域rbcL–psaI为1 115 bp, 与 © 植物学报 Chinese Bulletin of Botany 700 植物学报 55(6) 2020 R5 (AF457382)完全匹配。这说明小清河芦苇群体属 22%, 花期延迟1–2周, 小穗的颖片、外稃以及花药均 于东亚/澳洲芦苇系(Eller et al., 2017)。 为紫色, 结实率和萌发率极低(表4; 图3)。但这种变 叶芦苇既可通过种子繁殖, 也可通过茎节进行无性繁 2.3 芦苇新变型的发现和鉴定 殖, 所产生的新个体也保持着变叶特性。在《中国植 野外考察时我们发现北京地区存在一种变叶芦苇, 叶 物志》以及其它文献中均未发现这种变叶芦苇的记 片上具有明显纵长的浅黄色或白色条纹(图3)。与正常 载。因此, 我们将该变叶芦苇认定为一个新的芦苇变 的绿叶芦苇相比, 变叶芦苇的地上部分株高降低约 型。根据国际上通用的命名规则, 我们将这个变型命 图3 芦苇新变型的鉴定 (A) 自然生境中的金条芦苇; (B) 金条芦苇的小穗(bars=5 mm); (C) 金条芦苇细胞核的流式细胞分析结果; (D) 金条芦苇和变叶芦 竹叶绿体基因片段(从trnG-UCC到trnT-GGU)大小的差异, 变叶芦竹(Ad)产生607 bp的条带; 芦苇产生1069 bp的条带(Pa为小清河 芦苇克隆C6, DR和SR是河西走廊生长的沙丘芦苇和沼泽芦苇, G1–G3均为金条芦苇)(M: 分子标记); (E) 金条芦苇模式标本 Figure 3 Identification of a new form of Phragmites australis (A) Phragmites australis f. Goldstripe in natural habitats; (B) Spikelets of goldstripe reed (bars=5 mm); (C) Identification of ploidy level by the flow cytometric analysis on the goldstripe reed nuclei; (D) The size difference of a DNA fragment (from trnG-UCC to trnT-GGU) as revealed by PCR between goldstripe reed and Arundo donax var. versicolor, A. donax (Ad) produced a 607 bp band; common reeds and goldstripe reed produced 1069 bp bands (Pa indicates Xiaoqinghe reed C6, DR and SR indicate desert dune reeds and swamp reeds growing in the Hexi Corridor, and G1–G3 are all goldstripe reeds)(M: Molecular marker); (E) A type specimen of goldstripe reed © 植物学报 Chinese Bulletin of Botany 张茜等: 北京地区芦苇资源状态及其多样性 701 表4 北京翠湖湿地普通芦苇和金条芦苇表型差异分析(平均值 ±标准差, n≥16) Table 4 Phenotype comparison of common reed and goldstripe reed in Cuihu Wetland Park, Beijing (means±SD, n≥16) Sample 永定河和小清河的部分河段中, 芦苇生长繁茂(表1)。 通过流式细胞仪检测, 我们发现北京芦苇以八倍体为 Flowering time 主, 约占62.5%, 其余为四倍体, 而且2种倍性的芦苇 16.8±7.1 Mid-August 是在大的芦苇分布区, 如野鸭湖湿地和汉石桥湿地, 0.6±0.2 Early September 均为单一倍性芦苇(8x), 形态差异仅限于株高和茎秆 Height Diameter Seed setting (m) rate (%) (mm) Common 3.6±0.2 8.70±0.80 reed Goldstripe 2.8±0.2 7.42±0.75 reed (39.9%)和汉石桥湿地(13.0%); 而在潮河、潮白河、 往往混生在一起, 无法简单地从形态上加以区分。但 粗度, 是北京湿地的优势种群。事实上, 这种单一优 名为金条芦苇(P. australis var. australis f. Gold- 势群落称霸的现象正是芦苇在湿地系统中具有强大 stripe)。用流式细胞仪检测发现, 金条芦苇基因组大 竞争力的体现(Haslam, 1971; Burdick and Konisky, 小为(3.98±0.17) pg, 是八倍体植物(图3C)。目前, 金 2003)。在这种情况下, 其它种类的植物很难与其竞 条芦苇在北京地区还比较少见, 仅零星分布于汉石桥 争而逐渐退化。与单一优势种群形成鲜明对比的是芦 湿地公园、南海子公园和翠湖湿地等。现今, 金条芦 苇混合种群, 在市内的浅河(潮河和小清河等)河段中 苇的模式标本(图3E)保存于首都师范大学植物标本 生长的芦苇具有极高的形态和遗传多态性(表2, 表 馆(BJTC004950)。具体描述如下: 3)。利用叶绿体DNA片段进行单倍型溯源时, 发现北 The most significant difference between goldstripe reeds and common reeds is that the leaves have white or light yellow stripes, and a lower growth rate and a late flowering time. Goldstripe reeds are 2–3 meters tall, stem diameter 0.4–1.0 cm, leaves lanceolate linear, 15–28 cm long, 4–10 cm wide, flowering period delayed 1–2 weeks compared to common reeds, panicle purple or brown, and the number of seeds has decreased. Goldstripe reeds have well-developed rhizomes, erect stems, and dense spikelets on panicles. Spikelets are about 8–10 mm long and contain 3–6 florets; glumes on the spikelets, lemma and palea of the floret are purple or brown. The glume and lemma has 3 veins. The apex of lemma is long and acuminate, the base plate is extended, and the dense filamentous pubescence on both sides are slightly longer than the lemma, and it is easy to fall off from the joint when mature; pistil 1, stamen 3, anther 1–1.5 mm, purple or yellow. Mature seeds are brown with filiform pubescence at the base. The presently found goldstripe reeds are all octoploid, with a genome size of (3.98±0.17) pg. 2.4 讨论 京 地 区 的 芦 苇 以 P型 为 主 , 属 于 东 亚 /澳 洲 芦 苇 系 (Eller et al., 2017)。至今, 这些形态和遗传多态性很 高的芦苇混合种群的形成机制尚不清楚, 推测可能与 环境干扰有关。 以小清河为例, 我们详细观察并检测芦苇混合种 2 群的情况。在面积约0.15 hm 的样地上生长着至少6 种形态差异明显的芦苇克隆(图2D)。它们的单倍体基 因 组 大 小 (Cx值 )为 (0.499±0.019) pg, 变 异 系 数 达 3.8%。这与来源于欧洲和北美洲的166个芦苇群体的 基因组变异系数相当(Meyerson et al., 2016)。其中, C1克隆是北京地区罕见的四倍体克隆群体, 基因组 大小为(2.01±0.09) pg, 是基因组测序的可选材料。据 报道, 四倍体芦苇是欧洲和美洲的优势种群, 但在亚 洲 却 以 八 倍 体 芦 苇 为 主 (Clevering and Lissner, 1999)。由于这6个芦苇群体的生长环境相似, 使得它 们在外部形态和内在遗传上都具有可比性。我们发现, 四倍体芦苇C1在株高和基径上显著高于其它5个八 倍体芦苇(C2–C6)。上述结果与Meyerson等(2016) 对主要源于欧洲和北美洲四倍体芦苇的统计结果一 致, 但与Raicu等(1972)报道八倍体芦苇具有较高的 株型和粗壮根状茎的结果不符。根据我们的观察结合 一些未发表数据, 我们认为芦苇染色体倍性与表型之 调查结果显示, 芦苇在北京地区的种群面积非常大, 2 间不具有较好的对应关系。然而, 值得注意的是, 芦 超过600 hm , 形态和遗传多态性丰富。北京地区芦 苇花序的多态性非常高。这些花序除了大小和疏密不 苇主要分布于永定河水系和潮白河水系, 约占总面积 同之外, 小穗的颖片、小花的外稃和内稃以及花药的 的 78%; 芦 苇 分 布 面 积 最 大 的 地 点 是 野 鸭 湖 湿 地 颜色都有明显差异, 主要有黄色、褐色或紫色(图2, © 植物学报 Chinese Bulletin of Botany 702 植物学报 55(6) 2020 图3)。预测这些多态性的花序可以作为芦苇种内分类 化反映. 阅江学刊 5, 119–134. 的基础。遗憾的是, 时至今日芦苇的种内分类依然不 郭春秀, 李发明, 张莹花, 刘淑娟, 朱淑娟, 张大彪 (2012). 清晰。无论是采用叶绿体单倍型分类方法(Saltonstall, 河西走廊芦苇草地资源特征及其保护利用. 草原与草坪 2002)还是微卫星分子标记(Saltonstall, 2003)都很难 32(4), 93–96. 将表型和遗传信息相统一。我们根据叶绿体DNA片段 进行单倍型分类, 结果表明小清河中6个形态差异巨 大、染色体倍性不同且基因组大小有变异的芦苇群体 都是P型(表2, 表3)。这说明受到普遍认可的单倍型分 类法(Saltonstall, 2002; An et al., 2012; Tanaka et al., 2017)只适用于大尺度的种内系统地理学研究。探 明芦苇种内多样的表型与遗传特性之间的关系尚需 开发新的研究方法。 李建国, 李贵宝, 刘芳, 王殿武, 陈桂珅 (2004). 白洋淀芦苇 资 源 及 其 生 态 功 能 与 利 用 . 南 水 北 调 与 水 利 科 技 2(5), 37–40. 张兵 (2008). 谈芦苇湿地的价值. 现代农业科技 (12), 347. 张承烈, 陈国仓 (1991). 河西走廊不同生态类型芦苇的气体 交换特点的研究. 生态学报 11(3), 250–255. Ahmed MJ (2017). Application of raw and activated Phragmites australis as potential adsorbents for wastewater treatments. Ecol Eng 102, 262–269. 芦苇是一类具有形态和遗传多态性的禾本科植 An JX, Wang Q, Yang J, Liu JQ (2012). Phylogeographic 物, 具有巨大的生物量和全球分布性, 处于生态上的 analyses of Phragmites australis in China: native distribu- 有利位置。由于基因组中丰富的遗传多样性, 其在水 生生境、陆地生境、盐碱生境、沙漠边缘和污染水域 tion and habitat preference of the haplotype that invaded North America. J Syst Evol 50, 334–340. Burdick DM, Konisky RA (2003). Determinants of expan- 都可以形成大型单一性种群, 是湿地和城市水域不可 sion for Phragmites australis, common reed, in natural 替代的景观植物, 更有可能成为监测环境气候变化的 and impacted coastal marshes. Estuaries 26, 407–416. 有力工具(Eller et al., 2017)。但遗憾的是, 芦苇至今 Clayton WD (1967). Studies in the Gramineae: XIV. Kew 尚无基因组参考序列信息, 这极大地限制了其强大环 境适应能力的遗传基础研究(Cui et al., 2009; Li et al., 2017), 也限制了其形态可塑性与遗传信息之间 Bull 21, 111–117. Clevering OA, Lissner J (1999). Taxonomy, chromosome numbers, clonal diversity and population dynamics of Phragmites australis. Aquat Bot 64, 185–208. 的关联研究。因此, 本研究获得的一些天然四倍体和 Cui SX, Hu J, Yang B, Shi L, Huang F, Tsai SN, Ngai SM, 八倍体材料十分珍贵, 是芦苇基因组测序以及多倍体 He YK, Zhang JH (2009). Proteomic characterization of 植物环境适应性研究的好材料。自古以来北京地区芦 Phragmites communis in ecotypes of swamp and desert 苇生长繁茂, 随着近些年湿地建设力度加大, 芦苇的 恢复和种植面积也越来越大, 但目前尚未见详细的调 dune. Proteomics 9, 3950–3967. Cui SX, Wang W, Zhang CL (2002). Plant regeneration from callus cultures in two ecotypes of reed (Phragmites 查报告。随着基因组序列的破解, 各类研究也会逐步 communis Trinius). In Vitro Cell Dev Biol Plant 38, 325– 展开。这些研究包括芦苇形态多样性和环境可塑性的 329. 分子基础、遗传因子与生态因子之间的关系、芦苇对 环境修复的能力、芦苇纤维质量的改善和芦苇景观能 力的提升等。我们希望北京地区丰富的芦苇资源和多 态性研究可以成为解决这一系列问题的开始。 Doležel J, Greilhuber J, Suda J (2007). Estimation of nuclear DNA content in plants using flow cytometry. Nat Protoc 2, 2233–2244. Dykyjová D, Pazourková Z (1979). A diploid form of Phragmites communis, as a possible result of cytogenetical response to ecological stress. Folia Geobot Phy- 致谢 感谢汉石桥湿地的闫飞先生、野鸭湖湿地的 刘均平先生以及翠湖国家湿地公园工作人员在材 料采集方面的支持和帮助, 特别感谢吴西堃女士 的支持。 totax 14, 113–120. Eller F, Skálová H, Caplan JS, Bhattarai GP, Burger MK, Cronin JT, Guo WY, Guo X, Hazelton ELG, Kettenring KM, Lambertini C, McCormick MK, Meyerson LA, Mozdzer TJ, Pyšek P, Sorrell BK, Whigham DF, Brix H 参考文献 (2017). Cosmopolitan species as models for ecophysio- 程杰 (2013). 论中国古代芦苇资源的自然分布、社会利用和文 Phragmites australis. Front Plant Sci 8, 1833. logical responses to global change: the common reed © 植物学报 Chinese Bulletin of Botany 张茜等: 北京地区芦苇资源状态及其多样性 703 Gorenflot R (1986). Degrés et niveaux de la variation du Saltonstall K (2001). A set of primers for amplification of nombre chromosomique chez Phragmites australis (Cav.) noncoding regions of chloroplast DNA in the grasses. Mol Trin. ex Steud. Veröff. Geobot. Inst. ETH, Stiftung Rübel. Ecol Notes 1, 76–78. Zürich 87, 53–65. Haslam SM (1970). Variation of population type in Phragmites communis Trin. Ann Bot 34, 147–158. Saltonstall K (2002). Cryptic invasion by a non-native genotype of the common reed, Phragmites australis, into North America. Proc Natl Acad Sci USA 99, 2445–2449. Haslam SM (1971). Community regulation in Phragmites Saltonstall K (2003). Microsatellite variation within and communis Trin. I. monodominant stands. J Ecol 59, 65– among North American lineages of Phragmites australis. 73. Mol Ecol 12, 1689–1702. Li L, Chen XD, Shi L, Wang CJ, Fu B, Qiu TH, Cui SX (2017). A proteome translocation response to complex Saltonstall K (2016). The naming of Phragmites haplotypes. Biol Invasions 18, 2433–2441. desert stress environments in perennial Phragmites sym- Taberlet P, Gielly L, Pautou G, Bouvet J (1991). Universal patric ecotypes with contrasting water availability. Front primers for amplification of three non-coding regions of Plant Sci 8, 511. chloroplast DNA. Plant Mol Biol 17, 1105–1109. Meyerson LA, Cronin JT, Bhattarai GP, Brix H, Lamber- Tanaka TST, Irbis C, Inamura T (2017). Phylogenetic tini C, Lučanová M, Rinehart S, Suda J, Pyšek P analyses of Phragmites spp. in southwest China identified (2016). Do ploidy level and nuclear genome size and two lineages and their hybrids. Plant Syst Evol 303, 699– latitude of origin modify the expression of Phragmites 707. australis traits and interactions with herbivores? Biol Invasions 18, 2531–2549. Wang WS, Mauleon R, Hu ZQ, Chebotarov D, Tai SS, Wu ZC, Li M, Zheng TQ, Fuentes RR, Zhang F, Mansueto Meyerson LA, Saltonstall K, Chambers RM, Silliman BR, L, Copetti D, Sanciangco M, Palis KC, Xu JL, Sun C, Bertness MD, Strong D (2009). Phragmites australis in Fu BY, Zhang HL, Gao YM, Zhao XQ, Shen F, Cui X, Yu eastern North America: a historical and ecological per- H, Li ZC, Chen ML, Detras J, Zhou YL, Zhang XY, Zhao spective. In: Silliman BR, Grosholz ED, Bertness MD, eds. Y, Kudrna D, Wang CC, Li R, Jia B, Lu JY, He XC, Human Impacts on Salt Marshes: A Global Perspective. Dong ZT, Xu JB, Li YH, Wang M, Shi JX, Li J, Zhang Berkeley: University of California Press. pp. 57–82. DB, Lee S, Hu WS, Poliakov A, Dubchak I, Ulat VJ, Porebski S, Bailey LG, Baum BR (1997). Modification of a Borja FN, Mendoza JR, Ali J, Li J, Gao Q, Niu YC, Yue CTAB DNA extraction protocol for plants containing high Z, Naredo MEB, Talag J, Wang XQ, Li JJ, Fang XD, Yin polysaccharide and polyphenol components. Plant Mol Y, Glaszmann JC, Zhang JW, Li JY, Hamilton RS, Biol Rep 15, 8–15. Wing RA, Ruan J, Zhang GY, Wei CC, Alexandrov N, Raicu P, Staicu S, Stoian V, Roman T (1972). The McNally KL, Li ZK, Leung H (2018). Genomic variation Phragmites communis Trin. chromosome complement in in 3,010 diverse accessions of Asian cultivated rice. Na- the Danube delta. Hydrobiologia 39, 83–89. ture 557, 43–49. © 植物学报 Chinese Bulletin of Botany 704 植物学报 55(6) 2020 Morphology and Genetic Diversity of Phragmites australis in Beijing Xi Zhang, Tianhang Qiu, Anan Wang, Huajian Zhou, Min Yuan, Li Li, Sulan Bai, Suxia Cui* College of Life Sciences, Capital Normal University, Beijing 100048, China Abstract To understand the distribution and diversity of Phragmites australis in Beijing, we carried out field investigation to Beijing’s major rivers, wetlands and reservoirs, which reveals that the total area of reed populations has reached more than 600 hm2 in Beijing. The ploidy level is dominated by octaploid, followed by tetraploid. In larger wetlands, the single community of octoploid occupies a dominant position; while in shallow urban rivers, the mixed populations with different morphological, ploidy and genetic diversity are common. There is no significant correlation between the plant traits and ploidy level variation. Six different reed clones were found in Xiaoqing River, all belonging to P haplotypes. The haploid genome size of all clones ranged from (0.499±0.019) pg, with a coefficient of variation of 3.8%. These results show that there is no correlation between phenotype and haplotype. In addition, a reed variant with versicolor leaf characteristics was discovered and named as Phragmites australis var. australis f. Goldstripe. The morphology and genetic diversity of Phragmites in Beijing provide valuable resources for future study of the relationship between reed genotypes and environmental adaptability. Key words ploidy level, haplotype, Phragmites australis, polymorphism, variant Zhang X, Qiu TH, Wang AA, Zhou HJ, Yuan M, Li L, Bai SL, Cui SX (2020). Morphology and genetic diversity of Phragmites australis in Beijing. Chin Bull Bot 55, 693–704. ——————————————— * Author for correspondence. E-mail: sxcui@cnu.edu.cn (责任编辑: 白羽红) © 植物学报 Chinese Bulletin of Botany