海洋生物分类与系统演化实验室知识库

植物是自然界中生命的主要形态之一，在自然界中的角色相当重要。植物在

人类文明的产生和演化过程中同样具有非常重要的意义。研究植物进化历程或古

代植被变化情况的传统方法是从考古遗迹中采集炭化的种子或古植物遗骸进行

分析研究。环境 DNA 和高通量测序的发展以及信息数字化使得研究者不再受限

于难以获取植物研究材料的困境，从沉积物中提取植物分子信息即可进行研究分

析。沉积物中承载着大量的生态和环境信息，通过研究沉积物中保存的植物分子

信息，可以重建某一时期该地区的植被群落组成情况与生物多样性等信息、反演

特定时期的古气候以及反演人类文明。植物承载信息的庞大规模使植被变化情况

成为了解生态和进化物种对全球环境变化反应的宝贵资源。

海洋沉积物中的植物信息具有重要的生态学和古环境意义，但传统方法只能

通过研究沉积物中的孢粉获取植物信息。随着分子生物学的进步，探索利用海洋

沉积物中的植物分子多样性解释全球变化成为了一种新的尝试。本研究尝试了对

海洋沉积物中的植物 DNA 进行提取与 PCR 扩增，通过使用不同的 DNA 提取方

法（DNA 提取试剂盒）和 PCR 扩增条件（Mix、退火温度、循环数、DNA 模板

量以及引物），探索海洋沉积物中植物 DNA 提取和 PCR 扩增的方法，并在潮间

带以及浅海表层沉积物中检验。本研究共尝试了 32 种方法，结果表明 DNeasy

PowerSoil 土壤微生物 DNA 提取试剂盒以及 2× TransTaq HiFi PCR SuperMixⅠ

是较好的 DNA 提取与扩增条件；对于潮间带表层沉积物样品，最佳退火温度为

55 ℃，最佳循环数为 55 个循环；而对于浅海表层沉积物样品，最佳退火温度为

59 ℃，最佳循环数为 45 个循环；此外，相对于 rbcL 引物，gh 引物的扩增结果

更好。

为验证从海洋沉积物中提取出的植物 DNA 能否代表周边植被情况，本研究

利用上述实验得出的最优实验条件对黄海潮间带和浅海表层沉积物中的 eDNA

进行提取并利用 gh 引物在最优实验条件下扩增植物 DNA，并将扩增子进行高通

量测序及分析。结果表明，黄海潮间带和浅海表层沉积物中的植物多样性较高，

在二者的注释结果中 90%以上的物种在采样点周围均有分布。这一结果说明从海

洋沉积物中检测到的植物物种基本代表了周围环境中的植被群落组成情况。综上

所述，本研究成功提取并扩增了海洋沉积物中的植物 DNA，并成功应用于海洋

沉积物中植物分子多样性与周围环境植被组成情况关系的分析，为研究全球环境

变化和陆地植被变化提供了一种新的技术途径与研究思路。

第 1 章 绪论............................................................................................1

1.1 植物介绍............................................................................................................ 1

1.2 沉积物中植物的研究意义................................................................................ 1

1.2.1 沉积物中的植物在重建植被情况中的作用............................................. 1

1.2.2 沉积物中的植物在古气候方面的作用..................................................... 2

1.2.3 沉积物中的植物在反演人类文明中的作用............................................. 2

1.3 研究背景............................................................................................................ 3

1.3.1 沉积物中的植物研究中存在的问题......................................................... 3

1.3.2 分子生物学在沉积物中植物多样性研究中的应用................................. 3

1.3.3 环境 DNA 在沉积物中植物多样性研究中的应用...................................4

1.3.4 引物在沉积物中植物多样性研究中的作用............................................. 5

1.3.5 高通量技术在沉积物中植物多样性分析中的应用................................. 6

1.3.6 国内外研究现状及存在的问题................................................................. 7

1.4 研究海域简介.................................................................................................... 8

1.4.1 黄海潮间带海域......................................................................................... 8

1.4.2 黄海浅海陆架海域..................................................................................... 8

1.5 研究目的............................................................................................................ 8

第 2 章 黄海潮间带和浅海陆架表层沉积物中植物 DNA 的提取与扩

增的方法学探索.......................................................................................11

2.1 前言...................................................................................................................11

2.2 材料方法.......................................................................................................... 12

2.2.1 样品采集................................................................................................... 12

2.2.2 引物选择................................................................................................... 13

2.2.3 实验设计................................................................................................... 14

2.2.4 DNA 提取...................................................................................................15

2.2.5 PCR 扩增....................................................................................................16

2.3 结果与分析...................................................................................................... 16

2.3.1 海洋沉积物中植物 DNA 的提取方法探索——提取试剂盒的比较.....16

2.3.2 海洋沉积物中植物 DNA 的扩增方法探索——PCR 退火温度的比较 17

2.3.3 海洋沉积物中植物 DNA 的扩增方法探索——PCR 循环数的比较.... 18

2.3.4 海洋沉积物中植物 DNA 的扩增方法探索——Mix 的比较................. 19

2.3.5 海洋沉积物中植物 DNA 的扩增方法探索——PCR 模板量的比较.... 19

2.3.6 海洋沉积物中植物 DNA 的扩增方法探索——引物的比较.................19

2.4 讨论.................................................................................................................. 20

2.4.1 实验条件的探索....................................................................................... 21

2.4.2 不同海区类型的最优实验条件............................................................... 23

2.4.3 引物的对比............................................................................................... 24

第 3 章 黄海潮间带和浅海陆架表层沉积物中植物 DNA 的多样性及

其与周边植被的关系...............................................................................25

3.1 前言.................................................................................................................. 25

3.2 材料方法.......................................................................................................... 26

3.2.1 样品采集................................................................................................... 26

3.2.2 引物选择................................................................................................... 27

3.2.3 DNA 提取...................................................................................................27

3.2.4 PCR 扩增....................................................................................................27

3.2.5 文库构建和测序....................................................................................... 27

3.2.6 数据处理................................................................................................... 28

3.3 结果与分析...................................................................................................... 29

3.3.1 测序数据概况........................................................................................... 29

3.3.2 黄海潮间带沉积物样品高通量测序结果............................................... 30

3.3.3 黄海浅海陆架沉积物样品高通量测序结果........................................... 31

3.4 讨论.................................................................................................................. 33

3.4.1 黄海潮间带沉积物中的植物分子信息与周边陆地植被的关系........... 34

3.4.2 黄海浅海陆架沉积物中的植物分子信息与周边陆地植被的关系....... 35

第 4 章 结论..........................................................................................37

参考文献...................................................................................................39

致谢........................................................................................................... 53

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果......55