保护生物学

杜仲的保护生物学研究摘要：保护生物学是一门新兴学科，它涉及分类学、生态学、遗传学和种群生物学的多种原理和方法，从而探讨出对自然保护和管理的最佳途径。为此，本文特以杜仲为例，从生态学特征、生物多样性、保护措施，未来研究发展四个大的方面对杜仲的保护生物学进行研究探讨，以便更加明白保护生物学的意义及重要性。关键词：杜仲；保护生物学；生态学；生物多样性杜仲(EucommiaulmoidesOliver)，为杜仲科杜仲属多年生落叶乔木，中国特有的第三纪孑遗植物[1]。其皮、叶供药用，种子含有大量的高级营养油，而且所有器官维管组织的韧皮部，以及初生组织皮层和髓中均含有性质介于橡胶的弹性和塑料的塑性之间的杜仲胶。杜仲胶除用作补牙材料、海底电缆以及医用、体育等外，还在形状记忆方面有很广泛的潜在应用价值；杜仲叶还可作为保健品及饲料添加剂的原料。因此，杜仲不仅具有很高的药用价值，而且还有很高的经济价值。正因为如此，其野生资源不断遭受严重破坏。目前，杜仲已成为国家二级保护植物，开展保护生物学研究对保护杜仲资源具有重大意义[2]。1杜仲生态学研究1.1生长环境杜仲具有很广泛的适应性，在酸性土、中性土、微碱性土及钙质土上均能生长，尤其在土层深厚、疏松、肥沃、湿润、排水良好和阳光充分的旷地生长最好，最适宜生长的土壤PH值为5.0～7.5。杜仲的海拔适应性很广，在海拔200～1800m左右生长良好，甚至在2500m也有分布，多生长在中低山[3]。伴生植物有油桐、漆树、栓皮栎、麻栎、棕榈、柏木、乌柏、梧桐、核桃、红豆杉、杉木、马尾松、枫香、板栗、槐等中亚热带和北亚热带树种。1.2地理分布杜仲原产地及中心分布地带在秦岭以南华中地区的陕西、四川、贵州、湖北、湖南等省，多为山区[4]。由于广泛的引种栽培，现在已远远超出这些原始分布区。国内杜仲分布于25～35°N，104～119°E的广大地区。主要在秦岭、黄河以南、五岭以北、黄海以西、云南高原以东、长江中下游以南地区，以贵州、四川、湖北、湖南、陕西、甘肃等省分布较多，江苏、福建、河南、广东、广西、安徽、江西、浙江、山东、云南、北京等省市亦有分布。据文献报道，在东北的吉林、沈阳也有栽培。杜仲也被引种到欧美各地的植物园，被称为“中国橡胶树”，虽然和橡胶树并没有任何亲缘关系。此外，苏联、美国、日本、韩国、加拿大、澳大利亚、瑞典等国，都是从中国引进的。1.3适宜气候杜仲喜光，不耐庇荫，要求雨量充沛、气候湿润，具有耐寒力较强的特性；对温度适应幅度较宽，年均温11.7～17.1℃，绝对最高温度33.5～43.6℃，绝对最低温度-4～-19.1℃下均可正常生长发育。以年均温15℃，1月均温5℃，7月均温25℃，绝对最高温度40℃，绝对最低温度-5℃下生长发育最为适宜。杜仲可耐-22.8℃的低温；在温度较高的亚热带地区也可生长，但冬季气温过高，缺乏休眠条件，生长发育不好。2生物多样性2.1外部形态2.1.1树皮形态树皮灰褐色，粗糙，内含橡胶，折断拉开有多数细丝。嫩枝有黄褐色毛，不久变秃净，老枝有明显的皮孔。杜仲外部形态的差异主要表现在树皮类型上。《中华本草》中将其分为粗皮(青冈皮)和光皮杜仲(白杨皮)；有人则划分为深纵裂、浅纵裂、光皮、龟裂4种[5]。对湖北杜仲的研究结果表明：光皮杜仲的单株产鲜皮量最高，具有较高的开发利用价值。2.1.2杜仲叶杜仲叶椭圆形、卵形或矩圆形，薄革质，长6～15cm，宽3.5～6.5cm；基部圆形或阔楔形，先端渐尖；上面暗绿色，初时有褐色柔毛，不久变秃净，老叶略有皱纹，下面淡绿，初时有褐毛，以后仅在脉上有毛；侧脉6～9对，与网脉在上面下陷，在下面稍突起；边缘有锯齿；叶柄长1～2cm，上面有槽，被散生长毛。叶的颜色多为绿色，标本也有呈黄褐色，胡氏报道在湘西发现红叶杜仲，笔者在中科院植物所标本馆也看到采自湖北的红叶杜仲。2.1.3杜仲花和果实花生于当年枝基部，雄花无花被；花梗长约3mm，无毛；苞片倒卵状匙形，长6～8mm，顶端圆形，边缘有睫毛，早落；雄蕊长约1cm，无毛，花丝长约1mm，药隔突出，花粉囊细长，无退化雌蕊。雌花单生，苞片倒卵形，花梗长8mm，子房无毛，1室，扁而长，先端2裂，子房柄极短[6]。翅果扁平，长椭圆形，长3～3.5cm，宽1～1.3cm，先端2裂，基部楔形，周围具薄翅；坚果位于中央，稍突起，子房柄长2～3mm，与果梗相接处有关节。种子扁平，线形，长1.4～5cm，宽3mm，两端圆形。早春开花，秋后果实成熟。不同地区采到的果实其形状、大小、色泽、千粒重、先端缺刻的角度都有显著的不同,果实的千粒重与发芽率关系重大关系。2.2遗传多样性近10年来，由于杜仲综合加工利用技术的发展，使杜仲的经济价值倍增，各地开始出现大面积的人工林，不少地区还进行了引种栽培。从杜仲现有的面积、株数来看，比以前有所增加，但从遗传多样性分析，其基因资源受到了严重的损失，基因多样度显著下降[7]。究其原因，一方面是由于杜仲的综合开发利用，对杜仲原料的需求量很大，而各地在杜仲资源利用时，特别是对林权有争议的一些野生资源，多采用杀鸡取卵式的掠夺性开采，导致野生资源的严重破坏和遣传多样性的丢失；另一方面是由于近年来的大面积人工林，多数是在自发状态下发展起来的，各地见种就采见苗就栽的现象十分普遍。许多林分(或小片林)都是同一家系或少数几个家系的子代，是相同基因或基因型的大量重复，根本谈不上多样性问题。有人对采自贵州、湖南、四川、陕西等地的38个杜仲的无性系进行了酯酶同工酶分析，结果共检验出16条酯酶同工酶带[8]。依据酶谱的相似性与差异性，划分出两大类型区，黔、湘、川系及秦系，说明秦系与其余三者差异较大；而黔系、湘系、川系三者之间又有所不同。说明不同纬度及气候引起的酯酶同工酶发生地理递变。虽然作者没有对酯酶同工酶地理递变所反映的遗传多样性进行分析，但酯酶同工酶的差异也能够说明在蛋白质水平不同地区的杜仲存在多态性。2.3化学成分差异杜仲所含化学成分主要有木脂素类、环烯醚萜类、有机酸、萜类、多糖、氨基酸、杜仲胶及钙、铁等无机元素。苯丙素类是形成木脂素的前体，它在杜仲中广泛存在，包括咖啡酸、松柏酸、丁香苷、绿原酸、香草酸等[9]。环烯醚萜类包括京尼平苷类及桃叶珊瑚苷、杜仲苷等。研究者通过对不同产地杜仲叶中次生代谢物(京尼平苷、绿原酸、桃叶珊瑚苷、总黄酮)含量的测定及其生态因素分析研究表明，不同产地杜仲叶次生代谢物含量差异显著，结论是贵州遵义、湖南慈利、陕西略阳、四川通江4个地区杜仲叶中次生代谢物含量较高。研究者再对采自贵阳、遵义、安顺三地的杜仲叶的绿原酸、总黄酮、微量元素成分分别进行了含量测定，结果表明，除总黄酮含量有一定差异外，其它均相似。表明三地的杜仲叶品质基本相似。2.4生长速度差异不同地区杜仲的生长速度也存在显著差异[10]。河南省洛阳林科所在调查河南省及全国杜仲主产区优良基因资源的基础上，采用综合评分法进行优树选择[11]。以树高、胸径、单株产叶量、树皮厚、枝下高、主干通直度等指标为依据，进行杜仲优良无性系的选育，选育出了华仲1号、华仲2号、华仲3号、华仲4号、华仲5号5个优良无性系。这5个品种在树高、胸径、皮厚、单株产叶量的年生长量等方面存在显著差异。研究者对湖北杜仲进行考察后发现，湖北杜仲类型分布呈地区特点，其生长特性也呈显著性差异。3保护措施的研究许多作物在其栽培化进程中丢失了大量的遗传变异，而纯系的栽培品种，常常因遗传基础的狭窄，在突发的病虫害或环境胁迫面前损失惨重。如果对杜仲不采取有效的保护措施，这种危机也将很快发生。所以，鉴于杜仲种质资源的严重破坏，以及正在向栽培化方向发展[12]，保护杜仲遗传资源实际上已变得更加迫切。3.1收集和保护种内变异在全国范围内调查野生和半野生资源的基础上，迅速收集不同自然气候条件下以及具有外部形态特征差异的类型[13]。采样尽可能为种子，这样可以包含较大的遗传多样性，在无法取得种子的情况下也可采集营养器官。3.2遗传多样性的研究和确定保护一个物种并不是随机地采集这个种的某些个体加以保护就可以达到目的。按照自然地理条件和形态上的差异所确定的种源是重要的方法，但它所代表的差异并不一定是遗传上的变异[14]。因此，在外部形态研究的基础上，进一步研究种内的遗传变异，如采用等位酶、限制性片段长度多态性等手段是十分必要的。只有在确定了遗传多样性和变异类型的基础上，才能有效而全面地、比较科学地保护一个物种。3.3建立基因重组建立一个包含尽可能多的遗传多样性的田间种质库，可以为杜仲创造在自然状态下不可能或不容易获得的机会，使杜仲的各变异类型置于一个开放的授粉系统之中，促使其产生基因流，达到不同类型基因的交流和重组，获得适应性更强的后代[15]。这样，物种的生活力就得到了复壮。当这些后代回归自然状态后，杜仲就将以一个得到复壮了的整合的种在自然生境中演化与发展。3.4迁地保护通常认为，就地保护是最重要的有效措施。植物在原生境中可以按照其自身的性质不断地演化发展。但实际上，对相当一部分稀有、濒危植物而言，这种方法是无法实施的。一个植物种之所以成为稀有、濒危，就是因为这个物种的数量已大大减少,而这种减少的原因往往是原生境的破坏或人为的采伐。在这种情况下，强调在原生境条件下保护物种已失去实际意义。相反，如不采取迁地保护而一味强调就地保护，希望在自然状态下恢复这些种的种群，客观上就会发生进一步的濒危甚至灭绝。而迁地保护则能将这些物种有效地保护起来。3.5病虫害防治杜仲历来以抗虫抗病著称，但由于大面积的栽培已经出现了一些害虫，如杜仲夜蛾、刺蛾、地老虎、木蠹蛾，危害杜仲的正常生长。1991年杜仲夜蛾曾将遵义杜仲林场的树叶全部吃光，造成重大的经济损失。李氏等对杜仲夜蛾的形态特征、生活史和生活习性等生物学特性进行了研究，并提出了具体防治措施。贵州遵义杜仲林场对各种病虫害采取了相应的防治措施，取得了一定的效果。4未来研究展望全面收集种质资源是保护生物学研究的前提和基础。长期以来一直认为杜仲为单科、单属、单种，但从文献及我们的初步调查来看，杜仲的种内存在很大的变异，如树皮的类型(光皮或粗皮、深裂或浅裂)，种子的千粒重，叶的大小、长短，节间长短等。曾有人作过这方面的工作，但没有进行深入的遗传背景方面的分析。因此，有必要对杜仲的种质资源进行全面收集，这对于优良品种的选育、稳定杜仲的药材质量和种质的可持续利用具有重要意义[16]。对一个物种的保护并不是对某一单株或某一居群进行保护，而是要对该物种的整个遗传多样性进行保护。因此，必须对其遗传多样性进行分析。遗传多样性的测度主要包括3个方面，即染色体多态性、蛋白质多态性和DNA多态性。染色体多态性主要从染色体数目、组型及其减数分裂时的行为等方面进行研究；蛋白质多态性一般通过两种途径分析，一是氨基酸序列分析，一是同工酶或等位酶电泳分析，后者应用较为广泛。5结语保护生物学目前为止虽然已取得了一些成就，但是随着人类对自然环境的开发,生物多样性遭到破坏越来越严重，一些植物动物得到了保护，但是又有越来越多的植物列入濒危动植物的行列中。因此，在未来的动植物保护上应以预防为主，并不断开展新的保护生物学研究，以更好地达到保护物种、维持生物多样性的目的。参考文献：[1]冯风,梁志荣.我国历史上对杜仲的认识和利用[J].西北林学院学报,1996,11(2):84-89.[2]吴成贡,蒋昌顺.濒危植物保护学技术研究进展[J].华南热带农业大学学报,2006,12(3):50-51.[3]唐建军,张禄源,何鸣筱.杜仲的研究与应用进展[J].植物学通报,1998,15(6):48-50.[4]张维涛,刘湘民,沈绍华,等.中国杜仲栽培区划初探[J].西北林学院学报,1994,9(4):36.[5]崔克明.杜仲研究的历史、现状和展望[J].西北林学院学报,1994,9(4):51.[6]马仁萍,赵德义,杨吉安,等.杜仲花粉营养的研究[J].西北林学院学报,2007,22(6):111-113.[7]王瑷琦,黄璐琦,邵爱娟,等.孑遗植物杜仲的遗传多样性RAPD分析和保护策略研究[J].中国中药