喀斯特耐陰灌木淡黃金花茶的精細(xì)空間遺傳結(jié)構(gòu)與基因流

彭國(guó)清,唐紹清

廣西師范大學(xué),生命科學(xué)學(xué)院,廣西珍稀瀕危動(dòng)物生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,桂林 541004

喀斯特耐陰灌木淡黃金花茶的精細(xì)空間遺傳結(jié)構(gòu)與基因流

彭國(guó)清,唐紹清*

廣西師范大學(xué),生命科學(xué)學(xué)院,廣西珍稀瀕危動(dòng)物生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,桂林 541004

淡黃金花茶(Cameliaflavida)是一種具有淡黃色花瓣的金花茶植物,為喀斯特典型的耐陰灌木?；趶V西弄崗喀斯特季節(jié)性雨林15 hm2(300 m × 500 m)監(jiān)測(cè)樣地,利用13對(duì)微衛(wèi)星(SSR)標(biāo)記,探討喀斯特地貌對(duì)淡黃金花茶的精細(xì)空間遺傳結(jié)構(gòu)(SGS)、基因流和小尺度范圍遺傳分化的影響。結(jié)果表明：(1)淡黃金花茶在50 m距離內(nèi)產(chǎn)生顯著的SGS,在灌木類型和依賴種子傳播的物種中具有中等程度的SGS強(qiáng)度(Sp=0.0248)；(2)淡黃金花茶種子和花粉傳播平均距離較短,分別為12.47 m和29.03 m,72.2%花粉和81.0%種子的傳播距離均主要是在20 m內(nèi)；(3) 淡黃金花茶在小尺度范圍(種群間距離<1 km)的4個(gè)種群,甚至相距100 m的兩個(gè)斑塊產(chǎn)生了顯著的遺傳分化。喀斯特生境地貌對(duì)淡黃金花茶的基因流產(chǎn)生阻礙作用,從而導(dǎo)致淡黃金花茶在小尺度范圍產(chǎn)生遺傳分化。

喀斯特；淡黃金花茶；空間遺傳結(jié)構(gòu)；基因流

中國(guó)是世界上喀斯特地貌分布面積最廣的國(guó)家,占世界巖溶面積的64%,主要分布在廣西、云南、貴州和四川[1]。典型喀斯特地貌廣泛分布著峰叢、槽谷、洼地等,小生境復(fù)雜多樣,群落結(jié)構(gòu)也復(fù)雜多變、物種多樣性從峰叢至洼地變化劇烈[2]?？λ固氐貐^(qū)生物多樣性高,珍稀瀕危動(dòng)植物和地區(qū)特有種豐富,顯示了喀斯特地區(qū)植物區(qū)系和生物多樣性極其特殊[3]。例如,廣西弄崗國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)具有典型喀斯特地貌,巖溶特有植物豐富,這種特有化的發(fā)展在苦苣苔科和山茶科的金花茶植物尤為顯著[5]。生境異質(zhì)性可導(dǎo)致物種在不同的基巖和土壤條件下其葉形、樹(shù)皮或者花序等產(chǎn)生形態(tài)變化[6],在典型峰叢谷地生態(tài)系統(tǒng)中的巖溶區(qū)的葉片解剖旱生結(jié)構(gòu)比非巖溶區(qū)更明顯[7]。

空間遺傳結(jié)構(gòu)(spatial genetic structure, SGS)是指種群在二維空間基因型的分布格局,常利用個(gè)體之間的親緣系數(shù)與地理距離的關(guān)系進(jìn)行空間自相關(guān)分析[8- 9]。研究SGS有助于了解種群個(gè)體間、個(gè)體與環(huán)境間的相互作用以及種群發(fā)展動(dòng)態(tài),能夠?yàn)闉l危植物的原地和遷地保護(hù)提供重要的參考[10-11]。同時(shí),SGS被認(rèn)為是決定種群短期進(jìn)化的一個(gè)關(guān)鍵因子[12],現(xiàn)有的SGS能夠影響附近個(gè)體交配,產(chǎn)生的后代的適合度可能不一樣,從而對(duì)環(huán)境異質(zhì)性的適應(yīng)不一致[13-14]。SGS是植物本身特性與生態(tài)因素長(zhǎng)期相互作用的結(jié)果,影響的因素眾多而復(fù)雜,產(chǎn)生的作用也不相同。一般認(rèn)為,建立者效應(yīng)、克隆繁殖、低密度的種子資源、有限的花粉和種子流等增強(qiáng)SGS[15-17],而廣泛的花粉和種子傳播、重疊種子區(qū)(overlapping seed shadow)、多樣的生活史和隨機(jī)的自疏效應(yīng)等則減弱SGS[13,16,18-21]。其中,影響SGS的兩個(gè)主要因素是種子和花粉流,有限的花粉和種子流導(dǎo)致存在SGS[22-24]。

目前,喀斯特地區(qū)植物SGS和基因流的研究較少,而林下灌木類型研究更少。淡黃金花茶(CamelliaflavidaChang)是一種具有淡黃色花瓣的金花茶植物,屬于喀斯特典型的常綠耐陰灌木。它分布狹窄、零散,生境片段化,常生長(zhǎng)于海拔100—500 m的較蔭蔽的溝谷林下或灌叢中[25]。種子為蒴果,主要依賴重力傳播,花粉主要為昆蟲(chóng)傳粉。本文以喀斯特地區(qū)的耐陰灌木淡黃金花茶為研究對(duì)象,基于廣西弄崗北熱帶喀斯特季節(jié)性雨林15 hm2(300 m × 500 m)監(jiān)測(cè)樣地,利用微衛(wèi)星(SSR)標(biāo)記,探討以下問(wèn)題：(1)淡黃金花茶的SGS強(qiáng)度如何？(2)淡黃金花茶具有怎樣的基因流樣式？(3) 喀斯特強(qiáng)烈的生境異質(zhì)性對(duì)淡黃金花茶的SGS、基因流和遺傳分化有著怎樣的影響？

1 材料和方法

1.1 研究樣地

廣西弄崗北熱帶喀斯特季節(jié)性雨林15 hm2(300 m × 500 m)監(jiān)測(cè)樣地(以下簡(jiǎn)稱15 hm2樣地)是由廣西植物研究所于廣西弄崗自然保護(hù)區(qū)建立,是中國(guó)森林生物多樣性監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(Chinese Forest Biodiversity Monitoring Network, CForBio)和全球森林生物多樣性監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(Center for Tropical Forest Science, CTFS)重要組成部分,也是唯一監(jiān)測(cè)熱帶喀斯特森林的固定樣地[26]。該樣地包括了從山頂、山坡到洼地等一系列 “峰叢-洼地” 典型的桂西南喀斯特地區(qū)生境類型[2,26]。山頂巖石裸露度高,氣候干熱；樣地中間包含一個(gè)洼地,伴有季節(jié)性水淹,氣候陰濕,土層也較厚,其中還密生很多藤本植物,再加上四面坡地植被對(duì)其郁閉的影響,使得其小生境與四面坡地也有很大的差異[2,27]。15 hm2樣地是依據(jù)全球森林生物多樣性監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(CTFS)固定樣地建設(shè)技術(shù)規(guī)范,測(cè)量并記錄樣地內(nèi)胸徑≥1 cm的木本物種名稱、胸徑、高度、生長(zhǎng)狀態(tài)及坐標(biāo)等信息[28]。該樣地內(nèi)的洼地周圍聚集分布了1個(gè)淡黃金花茶種群,同時(shí)在樣地周圍分布有因生境異質(zhì)性而呈間斷分布的數(shù)個(gè)淡黃金花茶種群,該樣地在喀斯特森林群落、生境類型和淡黃金花茶的分布上都具有代表性。因此,選用于研究喀斯特生境異質(zhì)性對(duì)淡黃金花茶的精細(xì)空間遺傳結(jié)構(gòu)、基因流的影響。

1.2 調(diào)查和取樣方法

對(duì)15 hm2樣地內(nèi)所有的淡黃金花茶個(gè)體進(jìn)行調(diào)查和采樣,每株取2—3片幼葉,撕成<2 cm2碎片,放入含有變色干燥硅膠的封口袋中干燥,帶回實(shí)驗(yàn)室提取DNA。胸徑≥1 cm的淡黃金花茶個(gè)體的坐標(biāo)依據(jù)全球森林生物多樣性監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(CTFS)固定樣地建設(shè)技術(shù)規(guī)范精確測(cè)量,由廣西植物研究所李先琨研究組提供,而胸徑<1 cm的個(gè)體坐標(biāo)通過(guò)測(cè)量與附近3株已知坐標(biāo)植株的距離,經(jīng)過(guò)幾何運(yùn)算獲得精確坐標(biāo)。根據(jù)是否達(dá)到開(kāi)花年齡將淡黃金花茶分為3個(gè)年齡階段：幼苗(基徑≤1 cm,均未達(dá)到開(kāi)花年齡)、幼樹(shù)(1 cm<基徑<2.5 cm,部分達(dá)到開(kāi)花年齡)和成年樹(shù)(基徑≥2.5 cm,均達(dá)到開(kāi)花年齡)。

1.3 DNA提取和SSR分型

植物DNA的提取采取改良后的CTAB法[29]。根據(jù)已發(fā)表的38對(duì)淡黃金花茶[30]和21對(duì)近緣種平果金花茶(Camelliapingguoensis)[31]共59對(duì)SSR引物,利用10個(gè)淡黃金花茶個(gè)體作為測(cè)試樣品進(jìn)行PCR擴(kuò)增,6%變性聚丙烯酰胺凝膠電泳分型,篩選出13對(duì)擴(kuò)增條帶清晰、多態(tài)性高的SSR引物(表1)。PCR體系和程序參考Lu等[31]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 遺傳多樣性

SSR位點(diǎn)利用在線軟件Genepop on the Web[32]檢測(cè)Hardy-Weinberg平衡,Micro-Checker v2.2.3軟件[33]檢測(cè)是否存在零位點(diǎn)(null gene),GenAlEx 6軟件[34]統(tǒng)計(jì)等位基因(A)、觀測(cè)雜合度(HO)、期望雜合度(HE)和固定系數(shù)(FIS)。

1.4.2 空間遺傳結(jié)構(gòu)

利用SPAGeDi軟件[35]中的Loiselle等[9]的親緣系數(shù)(kinship coefficient,Fij)統(tǒng)計(jì)淡黃金花茶的空間遺傳結(jié)構(gòu)(SGS)。參數(shù)設(shè)置如下：距離級(jí)(distance class)為10 m,1000次模擬統(tǒng)計(jì)Fij標(biāo)準(zhǔn)差和95%置信區(qū)間?？臻g遺傳結(jié)構(gòu)強(qiáng)度利用Sp統(tǒng)計(jì),Sp= -bF/(1 -F1),bF為Fij對(duì)距離自然對(duì)數(shù)的斜率,F1為第一距離級(jí)的親緣系數(shù)[36]。

1.4.3 小尺度范圍的遺傳分化

圖1 小尺度范圍的4個(gè)淡黃金花茶種群衛(wèi)星分布圖 Fig.1 The satellite imagery of four populations of C. flavida at small scale

以分布在廣西自然弄崗保護(hù)區(qū)15 hm2樣地種群NG(144株),CS(219株), PA(35株)和PB(62株)共4個(gè)種群(種群間距離0.296 — 0.982 km,平均0.627 km),研究淡黃金花茶在喀斯特地貌小尺度范圍內(nèi)(種群間距離<1 km)的遺傳分化(圖1)。利用GenAlEx 6.5軟件計(jì)算種群之間的遺傳分化系數(shù)(FST)和基因流(Nm),設(shè)置999模擬計(jì)算檢測(cè)顯著度。然后利用STRUCTURE v2.2軟件[37]研究種群的遺傳結(jié)構(gòu),參數(shù)設(shè)置為：Burn-in 100000 次,Markov′s chain Monte Carlo (MCMC) 500000迭代,重復(fù)20次,分組數(shù)目K=1—5。運(yùn)行結(jié)果壓縮后利用在線軟件Struture harvester[38]分析,得出最佳遺傳學(xué)種群數(shù)K[39]。

1.4.4 種子流和花粉流

以15 hm2樣地的幼苗為子代,幼樹(shù)和成年樹(shù)為親本,利用CERVUS 3.07軟件[40]進(jìn)行親本分析。CERVUS 3.07軟件是基于最大似然法進(jìn)行親本分析,通過(guò)估計(jì)子代和親本之間的似然值的對(duì)數(shù)(LOD)[41],最高者為真實(shí)親本,并且通過(guò)模擬計(jì)算臨界值(LOD)判斷其顯著性。在雙親性別未知的親本分析中,具有最高且顯著的子代-雙親三聯(lián)LOD值為最優(yōu)雙親組合。親本分析模擬參數(shù)設(shè)置為：子代數(shù)量為21,候選雙親為123,候選親本為比例為0.9,位點(diǎn)錯(cuò)配率為0.01,置信度水平為80%。根據(jù)Dow和Ashley[42]的方法以及淡黃金花茶的種子主要依賴重力的傳播特性,進(jìn)行兩個(gè)假設(shè)：(1)如果三聯(lián)LOD值顯著,即找到雙親,其中與子代較近的為母本,較遠(yuǎn)的為父本；(2)如果三聯(lián)LOD值不顯著,只有一個(gè)親本LOD顯著,那就認(rèn)為該親本為母本。然后根據(jù)子代、母本和父本的坐標(biāo)繪制花粉流和種子流傳播樣式圖,并根據(jù)GenAlEx 6.05軟件[34]計(jì)算花粉和種子傳播距離。

2 結(jié)果

2.1 空間分布

圖2 15 hm2樣地淡黃金花茶分布圖Fig.2 Distribution of C. flavdia in 15 hm2 plot兩個(gè)橢圓表示該樣地的兩個(gè)淡黃金花茶斑塊NG1和NG2

15 hm2樣地分布淡黃金花茶144株,其中幼苗、幼樹(shù)和成年樹(shù)分別為21、48和75株,聚集分布在洼地周圍約3 hm2(100 m×300 m)的區(qū)域,且被物種密度較大和伴有季節(jié)性水淹的洼地較明顯地分為兩個(gè)斑塊NG1和NG2 (圖2)。此外,樣地外周圍無(wú)淡黃金花茶分布,為相對(duì)孤立的種群。

2.2 遺傳多樣性

利用擴(kuò)增條帶清晰、多態(tài)性高的13對(duì)SSR引物對(duì)15 hm2樣地的144株個(gè)體進(jìn)行擴(kuò)增,等位基因(A)、觀測(cè)雜合度(HO)、期望雜合度(HE)和固定系數(shù)(FIS)分別為7.23,0.748,0.729和-0.027 (表1)。經(jīng)在線軟件Genepop on the web檢測(cè),Bonferroni矯正后只有引物FLA9顯著偏離哈迪溫伯格平衡(表1),Micro-Checker檢測(cè)13對(duì)引物均不存在零位點(diǎn)。這表明這13對(duì)SSR引物具有較高的多態(tài)性和可靠性。

表1 15 hm2樣地淡黃金花茶的遺傳多樣性

A, alleles;HO, observed heterozygosity;HE, expected heterozygosity;FIS, inbreeding coefficient; HWET, Hardy-Weinberg equilibrium test; *, 經(jīng)過(guò)Bonferroni矯正后顯著偏離哈迪溫伯格平衡

2.3 空間遺傳結(jié)構(gòu)

圖3 淡黃金花茶的精細(xì)空間遺傳結(jié)構(gòu)Fig.3 Fine-scale spatial genetic structure of C. flavida實(shí)線表示親緣系數(shù),虛線表示95%置信區(qū)間

淡黃金花茶個(gè)體間的親緣系數(shù)(Fij)在50 m范圍內(nèi)存在顯著正相關(guān),50—130 m處于顯著或者不顯著的波動(dòng)狀態(tài),而130—220 m處于顯著負(fù)相關(guān)(圖3)。在第一距離級(jí)10 m,Fij為0.0521,略小于第一表兄弟(the first cousin)的Fij(0.0625),SGS強(qiáng)度Sp為0.0248。

2.4 小尺度范圍的遺傳分化

一般而言,種群的SGS在某個(gè)距離范圍后不會(huì)一直都表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān),但是15 hm2樣地淡黃金花茶的SGS在130 m后(130—220 m)均產(chǎn)生了明顯的負(fù)相關(guān)(圖3),我們推測(cè)是由于該種群的100 m的兩個(gè)斑塊之間存在顯著的遺傳分化導(dǎo)致的。F統(tǒng)計(jì)表明,NG1和NG2兩個(gè)斑塊之間存在顯著的遺傳分化(FST=0.079,P< 0.05)。STRUCTURE結(jié)果表明,該種群的最佳遺傳學(xué)種群分組K=2,STRUCTURE聚類圖顯示兩個(gè)斑塊的遺傳結(jié)構(gòu)存在一定的遺傳分化(圖4)。所以,F統(tǒng)計(jì)和STRUCTURE均證明15 hm2樣地兩個(gè)淡黃金花茶斑塊間存在顯著的遺傳分化,導(dǎo)致SGS在130—220 m產(chǎn)生顯著負(fù)相關(guān)。

此外,喀斯特地貌小尺度范圍內(nèi)(種群間距離<1 km)4個(gè)淡黃金花茶種群間均發(fā)生了顯著的遺傳分化(P<0.05),遺傳分化系數(shù)FST為0.099—0.133,平均為0.116；基因流為1.632—2.285,平均為1.939(表2)。

圖4 15 hm2 樣地NG1和NG2兩個(gè)斑塊的STRUCTURE分析Fig.4 The STRUCTURE analysis of NG1 and NG2 patches in 15 hm2 plot (a)： K=1—5時(shí),K與ΔK的關(guān)系圖；(b)：K=2時(shí),兩個(gè)斑塊的STRUCTURE聚類圖

NGCSPAPBNGCSPAPBNG-2.1611.6791.632PA0.130*0.105*-1.754CS0.104*-2.1202.285PB0.133*0.099*0.125*-

下對(duì)角線為遺傳分化系數(shù)FST,上對(duì)角線為基因流Nm；“*”表示產(chǎn)生顯著的遺傳分化(P< 0.05)

2.5 種子流和花粉流

15 hm2樣地淡黃金花茶幼苗的親本分析表明,在三聯(lián)置信度80%水平下,21株幼苗中18株(85.7%)找到雙親,3株(14.3%)只找到單親(表3)。換而言之,18株幼苗的花粉來(lái)源于樣地內(nèi),3株可能來(lái)源樣地外。這說(shuō)明15 hm2樣地的幼苗的花粉大部分來(lái)源樣地內(nèi),較少來(lái)源于樣地外。

通過(guò)親本分析發(fā)現(xiàn),子代存在的同胞和半同胞只占所有幼苗的33.3%。例如,同胞個(gè)體NG90和NG91均來(lái)源與雙親NG89和NG105；同母異父的半同胞NG109、NG111和NG121均來(lái)源與母本NG98 (表4)。根據(jù)幼苗、父本和母本的坐標(biāo)計(jì)算出種子傳播距離為0.65—51.05 m,平均12.47 m；花粉傳播的距離為3.06—194.73 m,平均29.03 m (表4)。以10 m為距離級(jí),統(tǒng)計(jì)每個(gè)距離級(jí)淡黃金花茶的花粉和種子傳播頻率,結(jié)果表明花粉和種子的傳播距離均主要是在20 m范圍內(nèi),所占比例分別為72.2%和81.0%(圖5)。

表3 15 hm2樣地幼苗雙親分析

O, Offsprings; FC, First candidate; PLM, Pair loci mismatching; PLS, Pair LOD score; PC, Pair confidence; SC, Second candidate; TLM, Trio loci mismatching;TLS, Trio LOD score; TC, Trio confidence; “*”和 “-”分別表示在80%置信度下顯著和不顯著,“#”表示該幼苗只找到單親

表4 淡黃金花茶種子和花粉傳播距離

“-”表示沒(méi)有找到父本

圖5 淡黃金花茶在每個(gè)距離級(jí)花粉和種子傳播頻率Fig.5 The pollen and seed dispersal frequency of C. flavida within distance classes

此外,分別對(duì)兩個(gè)斑塊NG1和NG2幼苗的父本來(lái)源進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),除了斑塊NG1的僅有1株幼苗的父本來(lái)源于斑塊NG2,斑塊NG1幼苗的父本均來(lái)源于斑塊NG1內(nèi),斑塊NG2幼苗的父本均來(lái)源于斑塊NG2內(nèi) (圖6)。這表明淡黃金花茶的花粉流幾乎均存在于斑塊內(nèi),而較少存在于斑塊之間。

圖6 15 hm2樣地淡黃金花茶的種子流和花粉流Fig.6 The seed and pollen flow of C. flavida in 15 hm2 plot. (a)：兩個(gè)斑塊之間的基因流；(b)：斑塊NG2內(nèi)的基因流；(c)：斑塊NG1內(nèi)的基因流

3 討論

3.1 空間遺傳結(jié)構(gòu)(SGS)

影響SGS的兩個(gè)主要因素是種子流和花粉流[22-24]。當(dāng)存在較強(qiáng)的花粉流時(shí),往往產(chǎn)生較弱的或者不具有顯著的SGS,如風(fēng)媒傳粉植物板栗和錐栗[43]、青岡[44]、巴西松[45]等；當(dāng)花粉和種子高度局域傳播時(shí)將會(huì)產(chǎn)生近交,同胞聚集母樹(shù)周圍而導(dǎo)致較強(qiáng)的SGS[24],如蟲(chóng)媒傳粉、依靠種子傳播的植物野生大豆[46]、黃梅秤錘樹(shù)[47]、黑檀[11]等。淡黃金花茶主要依靠昆蟲(chóng)傳粉,種子依賴重力傳播,且具有生境偏好性,故推測(cè)淡黃金花茶具有較強(qiáng)的SGS。研究結(jié)果表明,淡黃金花茶存在顯著的SGS的距離為50 m,第一距離級(jí)10 m范圍內(nèi)的親緣系數(shù)F1為0.0521,Sp為0.0248,顯示較強(qiáng)的SGS,與預(yù)測(cè)的結(jié)果一致。雙親分析表明,淡黃金花茶種子和花粉傳播距離較短,平均距離分別為12.47 m和 29.03 m,72.2%的花粉和81.0%的種子的傳播距離在20 m范圍內(nèi)。所以,有限的花粉和種子傳播距離導(dǎo)致淡黃金花茶具有較強(qiáng)的SGS。

與同屬植物山茶(C.japonica)比較,Ueno等[48]利用SSR研究在4 hm2樣地中發(fā)現(xiàn)山茶只有5 m范圍內(nèi)存在較弱的SGS,Chung等[19]利用同工酶研究1 hm2樣地的山茶(C.japonica)發(fā)現(xiàn)存在顯著SGS的距離為21 m,在第一距離7 m范圍內(nèi)F1為0.02。這表明淡黃金花茶產(chǎn)生顯著SGS的距離和強(qiáng)度均明顯大于山茶。然而,淡黃金花茶的Sp與He等[49]研究的中國(guó)西南喀斯特專有喬木掌葉木(Handeliodendronbodinieri)的Sp為0.0233的結(jié)果相似,同時(shí)與Vekman和Hardy[36]總結(jié)的6種灌木的Sp(0.0259)和6種種子依賴重力傳播的物種的Sp(0.0281)相似。這表明淡黃金花茶在灌木類型和依賴種子傳播的物種中具有中等程度的SGS。

3.2 小尺度范圍的種群遺傳分化

典型的喀斯特地貌具有空間、土壤和水分等強(qiáng)烈的異質(zhì)性,植物對(duì)喀斯特地貌特殊且豐富的小生境及其配置格局具有明顯的適應(yīng)性[50]。研究物種在喀斯特地區(qū)小尺度范圍內(nèi)的遺傳分化有助于了解物種對(duì)喀斯特地區(qū)的適應(yīng)和喀斯特專有種豐富的原因。本研究發(fā)現(xiàn)喀斯特地區(qū)的淡黃金花茶在15 hm2樣地被洼地隔離、相距只有100 m的兩個(gè)斑塊之間產(chǎn)生了較小但顯著的遺傳分化(FST= 0.079,P< 0.05),在小尺度范圍(種群距離<1 km)的4個(gè)淡黃金花茶種群產(chǎn)生了中等而顯著的遺傳分化(FST=0.116,P< 0.05)。這表明在小尺度范圍喀斯特生境對(duì)淡黃金花茶的遺傳分化產(chǎn)生顯著影響。

Linhart和Grant[52]總結(jié)了小尺度范圍物種的遺傳分化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)木本植物在100—300 m產(chǎn)生遺傳分化,生境的異質(zhì)性產(chǎn)生遺傳的異質(zhì)性,基因流和自然選擇對(duì)遺傳分化產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。同時(shí),Gao等[53]研究表明,中國(guó)南方喀斯特地貌的苦苣苔科牛耳朵(Primulinaeburnea)復(fù)合群的遺傳分化同樣是由于遺傳漂變和較少的基因流導(dǎo)致。淡黃金花茶在小尺度產(chǎn)生遺傳分化也符合這樣的規(guī)律。首先,喀斯特地區(qū)生境異質(zhì)性強(qiáng)烈和淡黃金花茶具有生境偏好性導(dǎo)致其分布片段化,一定程度減弱種群的基因交流。本研究發(fā)現(xiàn)15 hm2樣地內(nèi)被單個(gè)洼地隔離、相距只有100 m的兩個(gè)淡黃金花茶斑塊之間的花粉流大部分存在于斑塊內(nèi),而較少存在于斑塊間。這是由于兩個(gè)斑塊之間為洼地的小生境與四面坡地存在很大差異,洼地在雨季常有雨水浸泡,密生藤本,種群密度大[27],一方面這不利于淡黃金花茶種子的萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng),兩個(gè)斑塊不能形成重疊區(qū)；另一方面有效阻止了兩個(gè)斑塊之間的花粉傳播。其次,15 hm2樣地兩個(gè)淡黃金花茶斑塊所處的坡向、光照條件和植被類型等不同,存在生境異質(zhì)性,也會(huì)產(chǎn)生不同的自然選擇壓力,從而產(chǎn)生遺傳分化。單個(gè)洼地對(duì)淡黃金花茶的基因流產(chǎn)生了阻礙作用,那么小尺度范圍(種群距離<1 km)的種群間包含多個(gè)峰叢和洼地,自然對(duì)基因流會(huì)產(chǎn)生更為顯著的影響,從而導(dǎo)致產(chǎn)生更大的遺傳分化。所以,喀斯特生境的異質(zhì)性和淡黃金花茶生境的偏好性導(dǎo)致淡黃金花茶在喀斯特生境小尺度范圍產(chǎn)生了遺傳分化。

3.3 花粉流和種子流

種子流和花粉流是種群最基本而最重要的生態(tài)過(guò)程,決定物種的遺傳多樣性、進(jìn)化與適應(yīng)性。喀斯特地區(qū)植物具有怎樣的花粉傳播模式,以及典型的喀斯特峰叢對(duì)花粉傳播具有怎樣的影響是值得研究的問(wèn)題。目前,在植物花粉流的研究中,越來(lái)越多結(jié)果表明花粉傳播距離比想象中更遠(yuǎn)[54- 55]。例如許多熱帶喬木花粉傳播距大部分達(dá)幾百米至幾公里[54],喀斯特地區(qū)喬木掌葉木(Handeliodendronbodinieri)的花粉傳播距離可達(dá)786—1400 m[49]。然而,喀斯特地區(qū)的淡黃金花茶種子和花粉傳播距離較短,平均距離分別只有為12.47 m和 29.03 m。同時(shí),15 hm2樣地的兩個(gè)斑塊和小尺度范圍的4個(gè)淡黃金花茶種群間產(chǎn)生了顯著遺傳分化,種群間具有較少的基因流。這均表明喀斯特地貌對(duì)淡黃金花茶的基因流具有阻礙作用。這可能是在喬木層,傳粉者受到的阻礙較少,更容易發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處的花朵,但林下灌木的淡黃金花茶,其生長(zhǎng)在物種豐富、生境異質(zhì)性強(qiáng)烈的喀斯特地貌,傳粉者不易于發(fā)現(xiàn)距離較遠(yuǎn)花朵,導(dǎo)致傳粉僅限于非常小的范圍。其次,淡黃金花茶具有較強(qiáng)的生境的偏好性,呈片段化不連續(xù)分布,使得種群之間的基因流較少。綜上所述,喀斯特地貌對(duì)淡黃金花茶的基因流具有阻礙作用,可能由于強(qiáng)烈的喀斯特生境異質(zhì)性、淡黃金花茶的灌木特性和生境偏好導(dǎo)致。

4 結(jié)論

典型的喀斯特生境異質(zhì)性是否對(duì)耐陰灌木的基因流存在影響鮮有人研究。本研究發(fā)現(xiàn),與喬木具有較遠(yuǎn)的花粉傳播距離不同,喀斯特地區(qū)典型耐陰灌木淡黃金花茶的花粉和種子傳播距離較短,導(dǎo)致在小尺度范圍甚至在100 m的距離產(chǎn)生了顯著的遺傳分化,這說(shuō)明喀斯特生境異質(zhì)性對(duì)淡黃金花茶的基因流產(chǎn)生顯著的影響。同時(shí),淡黃金花茶的灌木特性和生境的偏好性與基因流存在密切關(guān)系。

致謝：廣西植物研究所李先琨研究組提供15 hm2樣地淡黃金花茶坐標(biāo)信息,廣西弄崗自然保護(hù)區(qū)和廣西植物研究所何運(yùn)林、李東興、郭屹立和王斌幫助采樣，特此致謝。

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Fine-scalespatialgeneticstructureandgeneflowofCamelliaflavida,ashade-tolerantshrubinkarst

PENG Guoqing, TANG Shaoqing*

GuangxiKeyLaboratoryofRareandEndangeredAnimalEcology,CollegeofLifeScience,GuangxiNormalUniversity,Guilin541004,China

Camelliaflavida, a goldenCamelliawith yellow petals, is a typical shade-tolerant shrub in karst regions. The aim of this study was to explore whether karst habitat heterogeneity contributes to the fine-scale spatial genetic structure (SGS), gene flow, and genetic differentiation ofC.flavidaat the small scale within a 15hm2plot of northern tropical karst seasonal rain forest in Nonggang, based on 13 microsatellites. The results indicated that there was a significant SGS inC.flavidawithin a distance of 50 m, the intensity of which is moderate (Sp= 0.0248) among shrub and gravity-dispersed species. The mean seed and pollen dispersal distances ofC.flavidawere short at 12.47 m and 29.03 m, respectively, with 72.2% of pollen and 81.0% of seed being mainly spread within 20 m. In addition, there was significant genetic differentiation among four populations at the small scale (distance between populations < 1 km), and even between two patches separated by a distance of only 100 m. It is concluded that karst habitat heterogeneity significantly influences the gene flow ofC.flavida, leading to comparatively strong SGS and genetic differentiation at the small scale.

karst;Camelliaflavida; spatial genetic structure; gene flow

國(guó)家自然科學(xué)基金(31260053)；廣西研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃 (YCSZ2015093);廣西珍稀瀕危動(dòng)物生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究基金(桂科能15-A-01-08)

2016- 08- 19; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 07- 11

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shaoqing@mailbox.gxnu.edu.cn

10.5846/stxb201608191696

彭國(guó)清,唐紹清.喀斯特耐陰灌木淡黃金花茶的精細(xì)空間遺傳結(jié)構(gòu)與基因流.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(21):7313- 7323.

Peng G Q, Tang S Q.Fine-scale spatial genetic structure and gene flow ofCamelliaflavida, a shade-tolerant shrub in karst.Acta Ecologica Sinica,2017,37(21):7313- 7323.