郭水良，于 晶，李丹丹，周 平，方 其，印麗萍

1 上海師范大學(xué), 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 200234 2上海市出入境檢驗檢疫局， 200135

長三角及鄰近地區(qū)138種草本植物DNA C-值測定及其生物學(xué)意義

郭水良1，于 晶1，李丹丹1，周 平1，方 其1，印麗萍2,*

1 上海師范大學(xué), 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 200234 2上海市出入境檢驗檢疫局， 200135

為了評估DNA C-值和基因組大小(genome size)在植物入侵性評估中的價值，應(yīng)用流式細(xì)胞儀測定了長三角及鄰近地區(qū)138種草本植物的核DNA含量，其中111種為首次報道。在此基礎(chǔ)上比較了不同植物類群這兩個值的差異，特別是入侵性與非入侵性植物這兩個值的差異。結(jié)果表明：(1)138種草本植物平均DNA C-值為1.55 pg，最大者是最小者的37.17倍。127個類群平均基因組大小為1.08 pg，最大者是最小者的34.11倍；(2)統(tǒng)計了菊科(Asteraceae)、禾本科(Poaceae)、石竹科(Caryophyllaceae)、十字花科(Brassicaceae)、玄參科(Scrophulariaceae)、蓼科(Polygonaceae)、唇形科(Labiatae)和傘形科(Umbelliferae)的DNA C-值和基因組大小，發(fā)現(xiàn)禾本科植物的這兩個值顯著地大于其他7個科(P< 0.01)。單子葉的DNA C-值和基因組極顯著地大于雙子葉植物(P< 0.01)；(3)雜草比非雜草具有更低的DNA C-值(P< 0.01)和基因組大小(P< 0.001)；與DNA C-值相比，基因組大小在這兩個類群之間的差異更為明顯(P<0.001)，這種現(xiàn)象也體現(xiàn)在菊科植物中。隨著基因組(X1)和DNA C-值(X2)由大變小，植物的雜草性(入侵性，Y)由弱變強(qiáng)，兩者關(guān)系分別符合：Y=2.2334-1.2847 ln(X1)(r=0.4612,P< 0.01)和Y=2.4421-0.7234 ln(X2)(r=0.2522,P< 0.01)，DNA C-值和基因組大小可以作為植物入侵性評估的一個指標(biāo)；(4)多倍體雜草的基因組極明顯地小于二倍體雜草(P< 0.01)，前者為后者的0.63倍。在非雜草中，多倍體基因組比二倍體的略小，前者僅為后者的0.84倍，差異不顯著(P> 0.5)。菊科植物中多倍體雜草的基因組也顯著地小于二倍體雜草(P< 0.1)?；蚪M變小和多倍體化相結(jié)合，進(jìn)一步增強(qiáng)了植物的入侵性。在多倍體植物入侵性評估中，基因組大小比DNA C-值更有價值。

流式細(xì)胞術(shù)；DNA C-值；基因組大??；雜草；入侵性；倍性

DNA C-值指的是一個物種配子核中沒有復(fù)制時的DNA含量，基因組大小是指單個染色體組中的DNA含量，采用DNA 2C-值除以其倍性的方法計算[1]。該值對每種生物而言基本上是恒定的，具有種的特征[2]。

生物由簡單到復(fù)雜，低級向高級的進(jìn)化，遺傳信息肯定會增加，遺傳信息的增加伴隨著DNA C-值的增加。但是，人們發(fā)現(xiàn)親緣關(guān)系相近的種類，或一些復(fù)雜性相似的植物，卻有極大的DNA C-值差異[3]。

傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為，DNA C-值具有物種的特異性。但是隨著研究工作的深入，人們發(fā)現(xiàn)DNA C-值在某些物種也有一定程度的變異。DNA C-值在種上和種下水平的變異，具有重要的生態(tài)學(xué)、分類學(xué)、進(jìn)化學(xué)上的意義[4]。

隨著DNA C-值數(shù)據(jù)的積累，人們開始應(yīng)用統(tǒng)計方法解析它們在不同類群的分布特點及其可能的生物學(xué)意義。Bennett[5]對已有的數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，156種重要的世界性雜草比其它植物具有更低的核DNA C-值，惡性雜草的核DNA C-值比一般性雜草的要低；在澳大利亞的千里光屬(Senecia)和印度的金合歡屬(Acacia)植物中，外來入侵種比同屬其它種類均具有較低的核DNA 含量[6-7]。郭水良等[8]對中國境內(nèi)有分布的539中被子植物的DNAC-值和基因組大小在單子葉植物與雙子葉植物、不同生活型、不同科、不同倍性，特別是在雜草與非雜草之間的差異進(jìn)行了統(tǒng)計；陳國奇等[9]以世界范圍內(nèi)2006年以前積累的3676種被子植物DNA C-值和基因組大小為材料，作了類似的統(tǒng)計工作，均得出了這樣一個重要結(jié)論：雜草或入侵性植物的DNA C-值極顯著地小于非雜草，隨著植物DNA C-值和基因組由大變小，它們的雜草性增強(qiáng)，雜草中多倍化類群的基因組又極顯著地小于二倍體類群。為探討DNA C-值為植物入侵性之間的關(guān)系，Rejmánek和Richardson[10]對松屬(Pinus)的DNA C-值與入侵性之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與非入侵性種相比，具有入侵性的物種具有低的核DNA C-值，從而使其種子相對較小，世代時間也較之本地種縮短，這些均增強(qiáng)了其入侵能力。

另外，DNA C-值與海拔、經(jīng)緯度、溫度等也有一定聯(lián)系[11-12]。研究發(fā)現(xiàn)DNA含量與被子植物物種的多樣性、物種滅絕的風(fēng)險性以及對生境多樣性的適應(yīng)能力等都有一定關(guān)系[13]。

DNA C-值在種上和種下變異豐富多樣，還沒有找到明顯的規(guī)律性。關(guān)于DNA C-值生態(tài)環(huán)境適應(yīng)上的作用，至今的研究結(jié)論也不盡相同。付改蘭和馮玉龍[14]等研究認(rèn)為，作為整體，外來入侵植物的平均核DNA C-值顯著低于本地種和外來非入侵種，但是具體到某一特定類群，核DNA C-值與植物入侵性無必然聯(lián)系。Rejmánek & Richardson[10]對松屬的入侵性木本植物種研究顯示出核DNA C-值與生活史、種子大小、幼苗生長時間長短有關(guān)。盡管陳國奇等[9]對多達(dá)3676種被子植物的DNA C-值和基因組大小進(jìn)行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)在整個草本植物類群，以及在二倍體、多倍體、不同生活型，以及在單子葉、雙子葉和菊科、禾本科、毛茛科和鴨跖草科中，雜草的DNA C-值和基因組均顯著地小于非雜草，然而在豆科、莧科、茄科和蔥科中雜草與非雜草的兩項指標(biāo)上沒有顯著差異。而且還有眾多科屬由于樣本太少無法進(jìn)行統(tǒng)計檢驗。由于DNA C-值和基因組大小在被子植物的不同類群中差異極大，評估目的植物的入侵性時，必須與來自同一類群的植物進(jìn)行比較。因此，要充分利用核 DNA C-值和基因組大小進(jìn)行植物入侵性評估，需要通過測定獲得更多植物的DNA C-值和基因組大小數(shù)據(jù)。

陳國奇等[9]統(tǒng)曾建立了植物入侵性與基因組大小之間的函數(shù)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不同的類群往往有不同的了回歸公式。因此，在評估目的植物的入侵性前，應(yīng)該在相同科或?qū)俚谋尘跋陆⑷肭中耘c核DNA含量的定量關(guān)系。但是，相對于幾十萬種高等植物，目前已知DNA C-值的種類還非常有限[9]。郭水良等[8]統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，我國境內(nèi)有分布的近3萬種種子植物中僅有539種有DNA C-值的資料，而且絕大部分是國外學(xué)者測定。因此，需要在更多的植物類群中進(jìn)行核DNA含量的測定，豐富草本植物的核DNA含量數(shù)據(jù)庫，為不同類群入侵性的評估打下基礎(chǔ)。

另外，雖然陳國奇等[9]和郭水良等[8]統(tǒng)計過DNA C-值和基因組大小在不同類群中的分布特點，但是這些數(shù)據(jù)均是基于不同學(xué)者，采用不同測定方法所得的數(shù)據(jù)，因此用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從實驗設(shè)計上講也不是十分的嚴(yán)謹(jǐn)。這是因為由于流式細(xì)胞儀生產(chǎn)廠家不同，同一廠家的型號不同，不同的細(xì)胞核懸液可能會影響植物DNA C-值的測定結(jié)果[15-16]。前人在測定植物DNA C-值時一般采用雞血紅細(xì)胞，Johnston等[17]研究發(fā)現(xiàn)使用雞血紅細(xì)胞作為標(biāo)樣時，從不同的雞采取血液其2C-值在2.49 pg至3.01 pg之間變化，這又會影響實驗結(jié)果。

雜草是某一自然地理區(qū)域，其種群主要分布在人為干擾的環(huán)境、本身又不是目的植物的類群[18]。因此，雜草是具有入侵性的植物類群。有研究表明，植物的入侵性與其雜草性(在原產(chǎn)地的分布特點和擴(kuò)散程度)關(guān)系最為密切[19]；Sutherland也曾以雜草為對象開展北美植物的入侵性研究[20]。

本文的目的，以長三角及鄰近地區(qū)的部分雜草和非雜草為對象，1)應(yīng)用流式細(xì)胞術(shù)在相同的條件下測定它們的DNA C-值；2)對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，了解其在不同類群中的變異特點，進(jìn)一步評估DNA C-值、基因組大小和植物的雜草性之間的關(guān)系，進(jìn)而探討細(xì)胞核的這兩個值在植物入侵性評估中的價值。本文工作也將豐富我國DNA C-值數(shù)據(jù)庫含量，為更深入地了解DNA C-值的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)和分類學(xué)意義提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料。

1 材料與方法

1.1 材料

材料采自長三角地區(qū)的上海、浙江和南通郊區(qū)野外空地、田埂和廢棄工地等環(huán)境，共計39科102屬134種4變種144個居群。每個分類群采集3份樣品進(jìn)行測定。為比較同一種植物不同形態(tài)差異的種群在DNA C-值上的差異，其中蒲公英(Taraxacummongolicum)、北美車前(Plantagoviriginica)、三色堇(Violatricolor)、春飛蓬(Erigeronphiladelphicus)、銅錘草(Oxaliscorymbosa)和半夏(Pinelliaternata)分別采集了兩個不同性狀的居群(表1)。

表1 138種草本植物DNA C-值和基因組大小

材料都直接從野外采集其新鮮幼嫩葉片，在兩個小時內(nèi)帶回實驗室測量C-值，如果無法短時間帶回實驗室測定的材料，將植株移植于實驗室，待其恢復(fù)生長后取新鮮葉片實驗。憑證標(biāo)本存放于上海出入境檢驗檢疫局植物與糧谷實驗室。

小米(Setariaitalica)種子來源于山東，高粱(Sorghumbicolor)、假高粱(S.halepense)、黑高粱(S.almum)、蘇丹草(S.sudanense)、擬高粱(S.propinquum)種子來自上海出入境檢驗檢疫局，經(jīng)萌發(fā)后置于20 ℃光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)獲得實驗材料。

1.2 方法

采用美國BD公司的FACSCalibur流式細(xì)胞儀測定，方法見宋平根和李素文文獻(xiàn)[21]。

Otto緩沖液，包括Otto I和Otto II(Otto I：100 mmol/L 檸檬酸，0.5%(體積分?jǐn)?shù))Tween20，用去離子水定容至200 mL，pH值約2.3，4度保存；Otto II：0.4 mol/L Na2HPO4·12H2O 28.65 g, 用去離子水定容至200 mL，室溫保存)；PI-Rnase(基因公司 550825)；雙面刀片(飛鷹牌)；50 μm尼龍網(wǎng)；離心機(jī)等。

選擇大豆(2.4pg/2C)[22]、六倍體小麥(31pg/2C)[23]和油菜(1.4pg/2C)[24]為標(biāo)樣。

通過儀器自帶ModFit LT 軟件分析直方圖，得到樣品的G0/G1峰值即熒光值，和G0/G1峰的變異系數(shù)(CV%=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值×100)[25]，CV值小于3%說明結(jié)果準(zhǔn)確，CV值小于5%基本正確，CV值大于8%的不能采用[26]。 峰值及CV值均能從ModFit LT 軟件上直接讀出，數(shù)據(jù)出現(xiàn)在直方圖的右邊。最后通過比較樣品與標(biāo)樣的G0/G1峰值(即熒光值)來計算測試樣核DNA C-值[27]。

在測定獲得DNA 1C-值的基礎(chǔ)上，查閱相關(guān)文獻(xiàn)和植物染色體數(shù)目數(shù)據(jù)庫(http://www.tropicos. org/Project/IPCN/)，獲得相應(yīng)的倍性信息，從而計算基因組大小。基因組大小指單組染色體中的DNA含量，采用DNA 2C-值除以其倍性的方法計算。

為了解DNA C-值、基因組大小與植物雜草性之間的關(guān)系，根據(jù)Baker[18]關(guān)于雜草的定義，將138種植物首先分成雜草和非雜草兩大類。Holm等[28]將世界范圍內(nèi)的雜草進(jìn)一步細(xì)可分為普通雜草、主要雜草、惡性雜草和危害性不明的雜草。李揚(yáng)漢[29]“中國雜草志”中對中國境內(nèi)的雜草分布和危害也作了詳細(xì)記載。結(jié)合以上資料和相關(guān)植物在長三角及鄰近地區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)的分布特點，按入侵性(雜草性)由強(qiáng)到弱將138種植物分成0、1、2、3、4五個等級:

0級 主要見于天然植被環(huán)境、極少見于人為干擾環(huán)境中的非雜草植物；

1級 主要見于天然植被環(huán)境，偶見于人為干擾環(huán)境中，入侵性弱的雜草；

2級 多見于人為干擾環(huán)境，但是很少形成大面積入侵種群，少見于農(nóng)田中的雜草；

3級 為主要雜草，常見于為人干擾環(huán)境，在農(nóng)田環(huán)境也常見的雜草；

4級 多為惡性雜草，主要見于農(nóng)田或人為干擾環(huán)境，能夠形成成片優(yōu)勢種群。

不同類群間的顯著性差異均通過SPSS11.0統(tǒng)計軟件中的Independent-samples T-Test比較獲得，數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表達(dá)。

2 結(jié)果

2.1 測定植物的DNA C-值和基因組大小

138個分類群的DNA-C值和基因組大小見表1，平均DNA C-值為1.55 pg，燕麥的最大(11.2115 pg)，婆婆納的最小(0.322 pg)，兩者差37.17倍。在能夠計算基因組大小的127個類群中，平均基因組大小為1.08 pg，細(xì)辛的最大(6.4975 pg)，最小者為蛇莓(0.1905 pg)，兩者差34.11倍。上述類群中，有111種的核DNA數(shù)量為首次報道。

2.2 測定的8個科的DNA C-值和基因組大小比較

菊科(Compositae)共計測定了39種，平均DNA C-值為1.6363pg，最大者為菊芋(11.296 pg)，最小為小飛蓬(0.4965 pg)；平均基因組大小為1.18418 pg，最大者為白酒草(4.665 pg)，霍香薊的最小(0.3183 pg)。

禾本科(Gramineae)測定了16種，平均DNA C-值為3.3329 pg，燕麥的最大(11.21115 pg)，蘇丹草的最小(0.7775 pg)；平均基因組大小為1.5994 pg，最大者為燕麥(3.73720 pg)，最小者為棒頭草(0.3763 pg)。

在測定的5種石竹科(Caryophyllaceae)植物中，平均的DNA C-值為1.1612 pg，最大者為牛繁縷(1.2584 pg),最小為漆菇草(1.0214 pg)；基因組的平均大小為0.7041 pg，最大者為石竹(1.2348 pg)，最小為漆菇草(0.5107 pg)。

測定的五種十字花科(Cruciferae)植物的DNA C-值和基因組大小與石竹科的相近，它們平均的DNA C-值為0.9165 pg，最大者為諸葛菜(1.2324 pg)，最小者為蔊菜(0.5614 pg)；基因組大小平均值為0.8029 pg，最大也為諸葛菜(1.2324 pg)，最小為薺菜(0.2807 pg)。

共測定了玄參科(Scrophulariaceae)的7種植物，平均的DNA C-值和基因組大小分別為0.9164 pg和0.6314 pg，前者最大者為通泉草(1.5955 pg)，最小者為婆婆納(0.322 pg)，基因組最大者為彈刀子菜(1.1693 pg)，最小者為蚊母草(0.2708 pg)。

測定的6種蓼科(Polygonaceae)植物平均的DNA C-值為1.0003 pg，最大者為金線蓼(1.4172 pg)，最小的為蠶繭蓼(0.6436 pg)；平均的基因組大小為0.7064 pg，最大者為愉悅蓼(1.4116 pg)，最小的為蠶繭蓼(0.2415 pg)。

測定的5種唇形科(Lamiaceae)植物平均的DNA C-值和基因組大小分別為0.7990 pg和0.7164 pg，野芝麻的DNA C-值和基因組均為最大，為1.1117 pg，寶蓋草的DNA C-值最小，為0.5956 pg，基因組最小的為風(fēng)輪菜，僅為0.413 pg。

傘形科(Umbelliferae)5種植物的平均DNA C-值和基因組均為0.7259 pg，以栽培植物芫荽為最大(1.2804 pg)，以細(xì)葉旱芹為最小(0.387 pg)。

就以上8個科測定的88種植物中，禾本科的DNA C-值最大，為2.6803 pg，傘形科的最小，為0.7259 pg，禾本科與其他7個科的DNA C-值均存在極顯著的差異，但是其他科之間的DNA C-值沒有統(tǒng)計學(xué)上的差異；基因組大小在8個科之間沒有顯著差異(表2)。

統(tǒng)計還表明，DNA C-值和基因組在單子葉和雙子葉植物中存在極顯著的差異(P< 0.01)(表3)。

表2 八個科的DNA C-值和基因組大小

表3 單子葉和雙子葉植物DNA C-值和基因組大小

2.3 DNA C-值和基因組大小在雜草和非雜草之間的比較

138種植物中，93種為雜草，45種非雜草。比較發(fā)現(xiàn)，與非雜草相比，雜草具有更低的DNA C-值(P<0.01)和基因組大小(P< 0.001)，與DNA C-值相比，基因組大小在這兩個類群之間的差異更為明顯(表4)。

而且，隨著基因組(X1)和DNA C-值(X2)由大變小，植物的雜草性(Y)均由弱變強(qiáng)，兩者關(guān)系分別符合：Y=2.2334-1.2847 ln(X1) (r=0.4612,P< 0.01)和Y=2.4421-0.7234 ln(X2) (r=0.2522,P< 0.01)(圖1)。

圖1 核DNA含量和植物雜草性之間的關(guān)系Fig.1 Relationship of weediness with nuclear DNA amount

在測定的37種菊科植物中，雜草的DNA C-值和基因組大小也明顯地小于非雜草(表5)。

表5 菊科雜草與非雜草DNA C-值和基因組大小

在菊科測定的36種雜草中，隨著基因組(X1)和DNA C-值(X2)由大變小，植物的雜草性(Y)由弱變強(qiáng)，兩者關(guān)系分別符合：Y=3.219-1.55 ln(X1) (r=0.4386,P< 0.01)和Y=3.532-1.05ln (X2) (r=0.3225,P< 0.1)。

比較還發(fā)現(xiàn)，在二倍體植物類群中，雜草比非雜草具有更小的基因組大小(P< 0.01)；在多倍體類群中，雜草的基因組也顯著地小于非雜草(P< 0.01)(表6)。

2.4 基因組大小在二倍體與多倍體植物之間的比較

本文檢測的92種雜草中，二倍體有49種，多倍體有35種。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，多倍體雜草的基因組極明顯地小于二倍體雜草，前者為后者的0.63倍，差異極顯著(P< 0.01)。而在非雜草中，多倍體基因組比二倍體的略小，前者僅為后者的0.84倍，差異不顯著(P> 0.5)。菊科植物中多倍體雜草的基因組也顯著地小于二倍體雜草(P< 0.1)(表7)。

表6 二倍體和多倍體基因組大小在雜草和非雜草之間的差異比較

表7 菊科雜草中二倍體和多倍體DNA C-值、基因組大小的比較

2.5 基因組大小和DNA C-值在不同生活型植物之間的比較

一、二年生草本植物的DNA C-值和基因組大小均小于多年生植物，但是這種差異沒有達(dá)到統(tǒng)計上的顯著相關(guān)(表8)。在96份雜草樣品中，多年生雜草的基因組比一、二年生的要小，這種差異統(tǒng)計上也不顯著(表9)。

表8 DNA C-值和基因組大小在不同生活型草本植物之間的比較

表9 DNA C-值和基因組大小在不同生活型雜草之間的比較

3 討論

植物DNA C-值和基因組大小既有種的特征，又具有生態(tài)適應(yīng)上的意義。本文基于138種草本植物的DNA C-值測定，結(jié)合倍性、生活型、雜草性等信息，發(fā)現(xiàn)DNA C-值和基因組大小在雜草與非雜草、不同分類群之間、不同倍性的類群之間以及在不同生活型中存在差異，有的達(dá)到顯著或極顯著差異。

陳國奇等[9]對世界范圍的3676種被子植物、郭水良等[8]對中國境內(nèi)有分布的539種被子植物的統(tǒng)計表明，DNA C-值和基因組大小在不同植物類群中差異極大，其平均值在單子葉植物中顯著高于雙子葉植物，多年生植物顯著高于非多年生植物。在大多數(shù)類群中DNA C-值(基因組大小)都與被子植物的入侵性顯著相關(guān)，如：草本、單子葉、雙子葉、多年生、非多年生、二倍體、多倍體、以及禾本科和菊科中。因此，DNA C-值和基因組大小在植物入侵性評估中有一定的應(yīng)用價值。本文研究得出了相同的結(jié)論。但是，前期的兩篇論文數(shù)據(jù)來自于不同的文獻(xiàn)，這些數(shù)據(jù)是通過不同測定方法獲得的，用這類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析也不十分嚴(yán)謹(jǐn)。本文在同樣條件下進(jìn)行測定，數(shù)據(jù)的可比性更強(qiáng)，因此得出的結(jié)論更科學(xué)，盡管本文的結(jié)論與前期工作的相同。

在本文測定的已知倍性信息的138種植物中，84種雜草中41.67%的為多倍體，而36種非雜草中16.67%的種類為多倍體。前人研究也表明，多倍化是形成雜草的重要途徑[53]。另一方面，在84種雜草中，35種多倍體種類的基因組又極明顯地小于二倍體種類。可以看出，基因組變小和多倍體化相結(jié)合，進(jìn)一步增強(qiáng)了植物的雜草性。因此，在植物入侵性評估中，目的植物的染色體倍性信息非常重要，對于多倍體而言，基因組大小更適合用于被子植物的入侵性評估。

與非雜草性植物相比，雜草種類具有更低的DNA C-值和基因組大小，隨著基因組和DNA C-值由大變小，植物的雜草性由弱變強(qiáng)，兩者關(guān)系極為顯著。陳國奇等[9]統(tǒng)計也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物的基因組大于DNA 1C-值≤1.4 pg時，其成為雜草的概率是26.06%，成為惡性雜草的概率為7.50%；當(dāng)該值超過35 pg時，雜草的概率為1.24%，而統(tǒng)計中沒有草本惡性雜草的DNA 1C值高于35 pg。然而，不同的類群往往有不同的回歸公式，因此在評估目的植物的入侵性前應(yīng)該選擇一個最有效的公式。因此，需要統(tǒng)計更多的研究，豐富草本植物的核DNA含量數(shù)據(jù)庫，為不同類群入侵性的評估打下基礎(chǔ)。

DNA C-值和基因組小的植物具有更強(qiáng)的雜草性有一定的生物學(xué)基礎(chǔ)。DNA C-值低的植物，其核基因組中就含有較少的非編碼序列和重復(fù)序列，其有絲分裂周期短，細(xì)胞分裂速率快、世代縮短、幼苗生長速率高，這最終決定了其能在有限的時間內(nèi)順利完成生活周期，從而得以成功適應(yīng)新的環(huán)境。一個物種的最短世代時間決定著其在特定有限時間環(huán)境中的生存和繁殖能力，而DNA C-值可以限制一個物種的生活史類型[54-55]。因此DNA C-值與植物的雜草性相聯(lián)系[5,9,56]。

DNA C值的檢測方法主要有化學(xué)分析法、孚爾根染色法[57]、復(fù)性動力學(xué)法[58]和流式細(xì)胞術(shù)等4種方法。前三種方法目前已很少使用。流式細(xì)胞術(shù)是近年來受到重視的測定植物DNA C-值的方法。在應(yīng)用流式細(xì)胞術(shù)測定植物的DNA C-值過程中，需要選擇適用的緩沖液。細(xì)胞核分離緩沖液的組成不僅與DNA含量分辨率有關(guān)，并且會影響細(xì)胞核從細(xì)胞質(zhì)中釋放、分離后細(xì)胞核的完整性，以及DNA的染色效果。選擇的緩沖液通常由多種成分組成，要保持一定濃度的Mg2+，需要螯合劑檸檬酸鈉等；為了使溶液的pH值與DNA熒光染料的一致，還需要添加TRIS和MOPS等有機(jī)物，從而使緩沖液pH值保持相對穩(wěn)定。本文選擇Otto緩沖液，實驗結(jié)果比較穩(wěn)定。前人在測定植物DNA C值時一般采用雞血紅細(xì)胞，但是文獻(xiàn)報道的作為內(nèi)標(biāo)的雞血紅細(xì)胞2C-值并不恒定。另外，由于動物材料中存在的性染色體，所以不同性別的材料會存在 DNA C-值差異[59]。植物材料取材方便，制備過程簡便。本文選擇標(biāo)樣時，考慮到測定的目標(biāo)植物的DNA C-值與標(biāo)樣的值比較接近為原則，以使測定結(jié)果更加可靠。

陳國奇等[9]統(tǒng)計了3676種被子植物的DNA C-值和基因組大小。發(fā)現(xiàn)草本被子植物平均的DNA C-值和基因組大小分別為7.04 pg和5.21 pg。本文測定的138種植物的DNA C-值和基因組大小明顯地要小?？赡艿脑蚴?，陳國奇等[9]統(tǒng)計的3676種植物中，非雜草占了84.98%，單子葉植物占了41.84%中，而本文中涉及的138種植物中，非雜草占的比例僅34.78%，單子葉植物為15.22%。由于非雜草的DNA C-值和基因組明顯地大于雜草，單子葉植物的這兩個值也極顯著地大于雙葉子植物；其次由于不同的科屬的DNA C-值和基因組大小差異極大，例如陳國奇等[9]統(tǒng)計的3676種植物中，DNA C-值大的達(dá)127.4 pg, 小的僅為0.1 pg, 大小相差1274倍，而基因組最大的有74.45 pg，最小的為0.07 pg，大小相差1064倍。取材上的差異，也會造成測定數(shù)據(jù)的差異。

真核生物的核DNA由編碼和非編碼兩部分組成，而非編碼DNA則占了絕大部分，構(gòu)成了細(xì)胞染色體的主體框架[60]。細(xì)胞核中的編碼DNA可以通過編碼蛋白質(zhì)直接影響生物的性狀，同時核DNA本身的重量及體積也可以影響生物的表型[61]。已有資料表明，DNA C-值與與被子植物物種的多樣性、物種滅絕的風(fēng)險性以及對生境多樣性的適應(yīng)能力等都有一定關(guān)系[13]。因此，今后應(yīng)該進(jìn)一步開展植物DNA C-值和基因組大小的測定，豐富被子植物DNA C-值數(shù)據(jù)庫，為深入地揭示DNA C-值的生物學(xué)意義積累數(shù)據(jù)資料。

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DNA C-values of 138 herbaceous species and their biological significance

GUO Shuiliang1，YU Jing1, LI Dandan1，ZHOU Ping1，F(xiàn)ANG Qi1，YIN Liping2,*

1.CollegeofLifeandEnvironmentSciences,ShanghaiNormalUniversity,Shanghai200234,China2.ShanghaiEntry-ExitInspectionandQuarantineBureau,Shanghai200135,China

The DNA C-value is an important biological concept and it has been used in many areas of biological research. The C-value can be used as an index for evaluating angiosperm invasiveness. However, it is still uncertain how the DNA C-value influences plant invasiveness because there is a paucity of systematic experiments that test all the important aspects of this question. There is also a lack of data that identify the relationships between DNA C-value and invasiveness using invaders and non-invaders from the same genus or family. Therefore, expanding the database of plant DNA C-values is important for elucidating the mechanism by which the DNA C-value influences plant invasiveness. Using a cytometry method, we determined the DNA C-values for 138 herbaceous species collected from the Yangtze River Delta and its neighboring area. Among these species, 111 were newly reported. According to related literature and the plants′ distributions in artificial habitats, we also evaluated the weediness of these 138 species, and classified them using five grades: 0, 1, 2, 3, and 4. Based on these data, we calculated the genome sizes of 127 species with known ploidy levels and compared the differences in the two nuclear values (DNA C-value and genome size) between families, monocots and dicots, polypoid and diploid species, and invasive and non-invasive groups. The results showed that: (1) The average DNA C-value of the 138 herbaceous species was 1.55 pg, with the maximum 37.17 times greater than the minimum. The average genome size of the 127 species with known ploidy was 1.08 pg, with the maximum 34.11 times greater than the minimum; (2) We compared the average DNA C-value/genome size (pg) among Poaceae (2.6803/1.2436), Asteraceae (1.7007/1.2436), Caryophyllaceae (1.1612/1.1842), Brassicaceae (0.9165/0.8029), Scrophulariaceae (0.9164/0.6314), Polygonaceae (1.0003/0.7064), Labiatae (0.7990/0.7164), and Umbelliferae (0.7259/0.7259), and found that these two values in Poaceae were significantly higher than in those in the other seven families (P< 0.01). Additionally, the two values in monocots were significantly higher than those in dicots; (3) The average DNA C-value of weeds was significantly lower than that of non-weeds (P< 0.01), while the difference in genome sizes between the two groups was more significant than that of the DNA C-values (P< 0.001). A similar situation was found for Asteraceae. With the decrease of genome size (x1) and DNA C-value (x2) in the focal plants, their weediness (or invasiveness,y) increased, followingy=2.2334-1.2847ln(x1) (r=0.4612,P< 0.01) andy=2.4421-0.7234ln(x2) (r=0.2522,P< 0.01). We suggest that the DNA C-value and genome size could be used as indicators to evaluate plant invasiveness and; (4) The genome sizes of polyploid weeds were significantly lower than those of diploid weeds (P< 0.01), with the former 0.63 times greater than the latter. The genome size of non-weedy polyploid plants was not significantly lower than that of diploid plants (P> 0.5). In Asteraceae weeds, the genome sizes for polyploids were significantly lower than those for diploids (P< 0.1). Our analyses showed that genome downsizing with polyploidy enhances plant invasiveness. In the evaluation of polyploid plant invasiveness, knowing the genome size is more valuable than knowing the DNA C-value. The expansion of the plant DNA C-values database is also useful for comprehensively understanding the variation of plant DNA C-values among different taxa, and it has possible uses in taxonomic, systematic, ecological, and evolutionary studies.

flow cytometry; DNA C-value; genome size; weeds; invasive; ploidy

國家自然科學(xué)基金項目(31070479); 上海市科委基礎(chǔ)研究重點項目(10JC1412100); 國家出入境檢驗檢疫局科研項目(200810787); 上海市教委科技創(chuàng)新重點項目(06ZZ20, NO.10ZZ81)

2014-06-11;

2014-12-05

10.5846/stxb201406111208

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yinliping@hotmail.com

郭水良，于晶，李丹丹，周平，方其，印麗萍.長三角及鄰近地區(qū)138種草本植物DNA C-值測定及其生物學(xué)意義.生態(tài)學(xué)報,2015,35(19):6516-6529.

Guo S L，Yu J, Li D D，Zhou P，F(xiàn)ang Q，Yin L P.DNA C-values of 138 herbaceous species and their biological significance.Acta Ecologica Sinica,2015,35(19):6516-6529.