遼河保護(hù)區(qū)7個三裂葉豚草種群果實多樣性分析

王學(xué)治，凌興澤，翟 強(qiáng)，黃曉星，曲 波

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110866； 2.遼河平原森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，遼寧 沈陽 110866； 3.遼寧省遼河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 沈陽 100054)

遼河是全國七大江河之一，發(fā)源于河北省七老圖山脈，流經(jīng)河北省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、吉林省、遼寧省，至盤錦注入渤海。遼河保護(hù)區(qū)是2010年3月經(jīng)中國共產(chǎn)黨遼寧省委員會、遼寧省人民政府批準(zhǔn)，依遼河干流設(shè)立的狹長區(qū)域。遼河保護(hù)區(qū)始于東西遼河交匯處(鐵嶺福德店)，穿越鐵嶺、沈陽、鞍山、盤錦 4市，地理坐標(biāo)為123°55′-121°41′ E，43°02′-40°47′ N，占地面積為1 869.2 km2，是我國第一家大河的河流“劃區(qū)設(shè)局”，流經(jīng)區(qū)域人口較為稠密，土地開發(fā)利用程度較高，經(jīng)濟(jì)活動強(qiáng)度較大，尤其近年來受到工業(yè)化、城市化和新農(nóng)村建設(shè)快速發(fā)展的影響，河流生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，特別是外來入侵植物已嚴(yán)重破壞了遼河保護(hù)區(qū)的生物多樣性。目前，遼河保護(hù)區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)外來入侵植物27種，其中分布最為廣泛的是三裂葉豚草(Ambrosiatrifida)。三裂葉豚草為菊科豚草屬植物，一年生高大草本。葉掌狀三裂，有時五裂，幾乎全部對生[1]。植株高50～120 cm，有的可達(dá)170～200 cm，原產(chǎn)北美洲，其生命力、競爭力極強(qiáng)，傳播途徑多，繁殖系數(shù)大。三裂葉豚草分布范圍廣，危害大，難以治理，已對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成了巨大危害[2]。據(jù)資料記載，20世紀(jì)50年代在遼寧地區(qū)就發(fā)現(xiàn)了三裂葉豚草，分布在以沈陽、鐵嶺兩處為中心的遼河流域[1]，近年來已擴(kuò)散到整個遼寧乃至吉林、黑龍江、河北、北京、山東，甚至上海也發(fā)現(xiàn)三裂葉豚草[3]。

表型多樣性能夠在形態(tài)水平上反映物種遺傳多樣性，它體現(xiàn)了群體遺傳適應(yīng)生態(tài)環(huán)境壓力的廣泛程度[4]。植物果實是植物生長周期中的重要繁殖器官，其對種群的繁衍、擴(kuò)張和抵抗不良環(huán)境有重大意義，而果實的傳播是植物種群拓展其生存空間的重要保證[5-7]。Fenner[8]研究表明，除了表型差異之外，同一物種個體間果實的平均質(zhì)量雖差別不大，但果實的質(zhì)量在物種間存在極大的差異。馬紹賓等[9]在研究藥用植物桃兒七(Sinopodophyllumhexandrum)不同種群種子產(chǎn)量時發(fā)現(xiàn)，對于同一物種的不同地理種群，果實的平均質(zhì)量存在一定差異，且這種差異與該種群的群落特征和生境條件有關(guān)。為了揭示三裂葉豚草的傳播與擴(kuò)散機(jī)制，關(guān)廣清[1]曾對三裂葉豚草的形態(tài)進(jìn)行了初步研究，發(fā)現(xiàn)其在各地區(qū)表型差異較大。

本研究對遼河保護(hù)區(qū)的三裂葉豚草種群果實形態(tài)和質(zhì)量進(jìn)行研究，探討三裂葉豚草果實多樣性，試圖揭示遼河保護(hù)區(qū)內(nèi)三裂葉豚草的遺傳變異與其傳播途徑之間的關(guān)系，為三裂葉豚草的防治提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料 2011年秋季，沿遼河保護(hù)區(qū)，選取7個有代表性的三裂葉豚草種群，各種群間距離超過20 km。在各種群內(nèi)選取50株三裂葉豚草，株間距大于1 m，收集每株植物的成熟果實，自然風(fēng)干，備用。7個三裂葉豚草種群的具體信息和位置如表1和圖1所示。

表1 三裂葉豚草種群位置信息Table 1 Location information of populations of giant ragweeds

圖1 三裂葉豚草種群分布圖Fig.1 The populations distribution of giant ragweeds

1.2方法

1.2.1三裂葉豚草果實千粒重測定 取每株植物成熟果實各60粒，每個種群計3 000粒，混合后均分為3組，每組1 000粒，稱量，重復(fù)3次，計算其平均值。

1.2.2三裂葉豚草果實形態(tài)特征測定 每個種群隨機(jī)取出30粒果實進(jìn)行測定，主要指標(biāo)為正面觀面積、長(果實縱軸長度)、寬(果實橫軸長度)、周長以及頂刺、主刺數(shù)目、刺長等(圖2)，參考Sako等[10]的方法，略作改動：根據(jù)同一張圖片中像素密度和大小成正比，制作1 cm×1 cm的對照矩形圖片，將三裂葉豚草果實與對照矩形置于同一平面，利用數(shù)碼相機(jī)(松下GF3，像素為1 200萬)對其拍照，利用Photoshop CS4軟件測定各指標(biāo)像素數(shù)量，根據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)對照的像素比例，計算出果實的正面觀面積、周長、刺長等。從果實正面正上方觀察，把果實分為四邊形、五邊形、六邊形和橢圓形4種形狀。

圖2 三裂葉豚草果實形態(tài)指標(biāo)圖Fig.2 The fruit shape of giant ragweeds

1.2.3數(shù)據(jù)處理 采用SPSS軟件進(jìn)行聚類分析[11-12]，聚類方法采用平方Euclidean法。采用DPS (Data Processing System 9.50)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

通過對遼河保護(hù)區(qū)內(nèi)三裂葉豚草7個種群的果實特征進(jìn)行觀察與測定發(fā)現(xiàn)，在果實的正面觀面積和周長方面，盤山閘種群的正面觀面積最大，平均為0.227 cm2，周長平均為2.117 cm；石佛寺種群正面觀面積和周長最小，分別為0.133 cm2和1.507 cm；其他種群果實的面積在0.149～0.173 cm2，周長在1.623～1.892 cm。巨流河種群與其余三裂葉豚草的果實形狀不同，其果實上端呈放射狀。盤山閘種群的果實千粒重最大，平均為24.200 g；石佛寺種群最小，平均為14.100 g；其他種群果實千粒重在15.500～19.600 g，不同位置種群果實千粒重差異顯著。統(tǒng)計結(jié)果顯示，石佛寺種群果實的正面觀面積和周長顯著低于其他種群(P<0.05)。

果實的長寬比反映果實的形狀[10]，本試驗中三裂葉豚草種群果實的長寬比不同地區(qū)間均差異顯著(P<0.05)。馬虎山種群和巨流河種群果實長寬比分別為1.399和1.277，較接近；而大張橋種群、石佛寺種群和盤山閘種群果實長寬比較接近，介于1.483～1.595(表2)。

表2 遼河流域各地區(qū)三裂葉豚草果實特征Table 2 The fruit characteristics of giant ragweeds in Liaohe River

在三裂葉豚草7個種群中，馬虎山種群果實頂刺最長，平均為0.101 cm；其次為巨流河種群，其果實頂刺長平均為0.098 cm。主刺最長的為盤山閘種群，平均為0.171 cm；其次為雙安橋，平均為0.155 cm(表3)，其中，石佛寺種群的果實沒有明顯的主刺。三裂葉豚草7個種群果實均沒有明顯的副刺。巨流河種群和馬虎山種群果實都有6個主刺，而且正面觀形狀接近六邊形(圖3)。滿都戶種群果實形狀近似橢圓形，既沒有主刺也沒有頂刺，而石佛寺種群果實沒有主刺，大張橋種群和盤山閘種群都有5個主刺，雙安橋有4個主刺。統(tǒng)計結(jié)果顯示，滿都戶種群果實的頂刺長、頂刺數(shù)、主刺長、主刺數(shù)均為0，且頂刺長和頂刺數(shù)顯著低于其他種群(P<0.05)。

7個種群中，大張橋和盤山閘種群果實形狀一致，均為五邊形；巨流河和馬虎山種群果實形狀一致，均為六邊形；滿都戶和石佛寺種群果實形狀一致，均為橢圓形；雙安橋果實形狀為四邊形。

利用果實長寬比和刺數(shù)對三裂葉豚草7個種群進(jìn)行綜合聚類，發(fā)現(xiàn)大張橋種群和盤山閘種群聚類最近，巨流河種群和馬虎山種群聚類最近，滿都戶種群和石佛寺種群在另一個分支上聚類最近(圖4)。

表3 遼河流域各地區(qū)三裂葉豚草果實刺的特征Table 3 The prick characteristics of giant ragweeds fruit in Liaohe River

圖3 三裂葉豚草果實形態(tài)Fig.3 The fruit shape of giant ragweeds

圖4 三裂葉豚草果實形態(tài)聚類圖Fig.4 The clustering diagram of the fruit shape of giant ragweeds

3 討論與結(jié)論

本研究表明，三裂葉豚草果實質(zhì)量、面積和刺長指標(biāo)，在同一種群內(nèi)差異較大，具體表現(xiàn)在同一種群內(nèi)果實有大有小，刺有長有短，沒有規(guī)律性，并且果實的大小受當(dāng)?shù)亟邓⒐庹盏扔绊懞艽?，不能反映種群間的遺傳性；不同三裂葉豚草種群間的果實長寬比和果實刺的數(shù)量，即果實的形狀，在同一種群內(nèi)較一致，有一定規(guī)律，可作為反映三裂葉豚草種群間果實多樣性的主要依據(jù)，用來分析三裂葉豚草果實遺傳多樣性。

7個種群之中，大張橋種群和盤山閘種群果實形狀接近，表現(xiàn)為主刺的數(shù)量有5個，并且它們的地理位置距離也較近，相距39 km。馬虎山種群和巨流河種群果實形狀接近，表現(xiàn)為主刺的數(shù)量有6個，且地理位置相距24 km。滿都戶種群和石佛寺種群果實形狀十分接近，在聚類圖上同在另一分支，但距離較遠(yuǎn)，相距101 km，由此推斷，可能是因為這些種群之中，石佛寺和滿都戶在遼河南岸，與遼河北岸的其他種群產(chǎn)生了地理隔離，加上兩岸的生境不同，導(dǎo)致其果實形狀圓潤，沒有明顯的主刺。石佛寺種群雖然與馬虎山種群距離很近，但是這兩個種群分布在遼河兩岸，產(chǎn)生了地理隔離，基因交流機(jī)會少，所以并沒有聚在一組。

本研究結(jié)果表明，遼河保護(hù)區(qū)內(nèi)三裂葉豚草不同種群的果實表觀形態(tài)差異程度與其地理位置有關(guān)。

Fennell等[13]和Chun等[14]研究表明，果實形態(tài)相近的種群可能最初由一個種群分化而來。由此推斷，果實最為相似的巨流河種群和馬虎山種群，它們地理位置靠近，可能種群間有基因交流，并且它們間有國道101和國道304等道路，交通十分暢通發(fā)達(dá)，可以由交通工具作為傳播媒介，使最初同一種群的果實在不同地域形成新的種群，從種群發(fā)展的歷史來看，可能屬于種群分割(Population subdivision)[15]。 有研究表明，不同種群之間通過道路運(yùn)輸會有基因交流[16-17]。由此可見，遼河保護(hù)區(qū)內(nèi)三裂葉豚草可能通過交通運(yùn)輸進(jìn)行傳播。建議遼河保護(hù)區(qū)防治三裂葉豚草以道路為主線，以線帶面，深入保護(hù)區(qū)，采取相關(guān)措施控制三裂葉豚草，并在重要交通區(qū)域建立監(jiān)測區(qū)，采取預(yù)警措施，防止三裂葉豚草再度發(fā)生。

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