高寒退化草地狼毒繁殖性狀的選擇及其適應性

駱望龍，夏建強，李佳欣，孫淑范，汪睿，張勃

（甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，甘肅省草業(yè)工程實驗室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅蘭州730070）

被子植物的繁殖性狀，尤其是花性狀一直是進化生物學家關(guān)注的焦點。達爾文認為，植物的花是為促進異交而進化的一種美麗的設(shè)計，其豐富的多樣性是通過自然選擇而不斷積累的結(jié)果［1］。普遍認為，蟲媒傳粉植物花部特征的多樣化在很大程度上是由傳粉者介導的自然選擇所塑造［2-3］。植物的花部性狀中，花的吸引特征（如花大小、形狀、顏色和數(shù)量等）、花報酬和開花物候等性狀因與傳粉者相互作用而受到選擇［4-6］。

植物的適應是指能賦予其生存優(yōu)勢的新的生態(tài)功能，或能促進其個體適應新的生存環(huán)境（或生境）的性狀［7-8］，因此，適應性進化是自然選擇的結(jié)果。植物通過傳粉者介導的花性狀選擇常表現(xiàn)出時間和空間上的變異，即相同性狀的選擇在不同空間（如種群）或不同時間（年度間）上表現(xiàn)出很大的變異性［1，9］。同一性狀的選擇模式和選擇強度在時空上的不穩(wěn)定性，其主要原因與傳粉者類群的變化［10］、草食動物的存在［11］，以及非生物因子［12］和植物個體不同年度間的繁殖分配有關(guān)［13］。因此，了解植物花性狀的自然選擇過程對理解其適應性進化具有重要意義［14］。

狼毒（Stellera chamaejasme）別名瑞香狼毒、饅頭花、斷腸草等，是瑞香科狼毒屬唯一的物種。狼毒為根莖型多年生草本植物，是一種典型的草原毒草。近年來，狼毒在天然草地肆意蔓延，對草原生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重的危害，因此，引起了諸多植物生態(tài)學研究者的關(guān)注。目前，對狼毒的研究主要集中在其種群空間分布格局［15-16］、種子散布特征［17］、土壤養(yǎng)分［18］和土壤種子庫［19］以及繁殖特性［20-22］等方面；但是，有關(guān)其繁殖適應性的研究尚未見報道。開展狼毒繁殖相關(guān)性狀的選擇和適應性研究，不僅對理解該植物花的進化過程具有重要理論意義，而且對揭示該物種在退化草地入侵和繁殖的生態(tài)學機理，有效控制其擴散蔓延具有重要的實踐意義。本研究以天祝高寒退化草地狼毒的自然種群為研究對象，通過估測其繁殖相關(guān)性狀的選擇差和選擇梯度，探討了該植物繁殖的適應性及可能的進化意義。具體回答如下2個科學問題：狼毒的繁殖相關(guān)性狀彼此間的關(guān)聯(lián)程度（即相關(guān)性）如何？哪些性狀具有顯著的選擇差或選擇梯度，即可能受到顯著的自然選擇？

1 材料與方法

1.1 試驗地點和材料

本研究在甘肅農(nóng)業(yè)大學天祝高山草原試驗站完成，試驗地位于甘肅省天祝縣白石頭溝（N 37°12′，E 102°47′）。該地區(qū)海拔3071 m，年均溫-8～-4℃，1月氣溫最低為-18.3℃；7月氣溫最高為12.7℃，＞0℃年積溫為1380℃；年均降水量265.5～411.3 mm，年均蒸發(fā)量1590.5～1703.2 mm，無霜期3～4個月［23］；土壤類型為亞高山草甸土［24］。本研究的狼毒種群花色紅白色，花期為6-7月，果期為7-8月；所在草地群落的優(yōu)勢種除狼毒外，還有醉馬草（Achnatherum inebrians）、矮嵩草（Kobresia humilis）、珠芽蓼（Polygonum viviparum）和黃花棘豆（Oxytropis ochrocephala）等。

1.2 花性狀測量

試驗于2018年6-7月進行。在狼毒種群初花期，隨機選擇120個單株，各標記其中一枝發(fā)育正常的花序。待花序盛開后，用電子游標卡尺（精度為0.01 mm）測量其繁殖相關(guān)性狀。每個花序在不同位置至少選擇5朵小花，測量其花筒長、冠口直徑、花序頭直徑和花序高度。同時，統(tǒng)計該測量花序的小花數(shù)，并用卷尺測量其株高，最后記錄該花序所在株叢的總花序數(shù)（即單株叢花序數(shù)，作為植株個體大小量度）。待10～15 d后，統(tǒng)計各標記花序的結(jié)籽數(shù)。

1.3 選擇差和選擇梯度的估測

參照Lande等［25］的方法，建立目標性狀與個體適合度的回歸模型進行選擇差和選擇梯度的估測。其完整的回歸統(tǒng)計模型［1］如下：

選擇差：度量單個性狀總的選擇作用強度，包括對該性狀的直接和間接選擇作用。當選擇模型中只考慮一個性狀（即p=1），其回歸系數(shù)βj(當γj=0)和2γj分別表示該性狀的線性（即定向選擇）和非線性選擇差（selection differential）［8］。

選擇梯度：度量性狀的直接選擇作用強度。當選擇模型中包含了能影響適合度表現(xiàn)的多個性狀（即p＞1），其回歸系數(shù)βj和2γj分別表示該性狀的線性（即定向選擇）和非線性選擇梯度（linear or nonlinear selection gradients）；γjk表示對zj與zk兩個特定性狀組合的選擇強度，即相關(guān)選擇（correlational selection）。

1.4 統(tǒng)計與數(shù)據(jù)分析

在表型選擇分析中，用單花序結(jié)籽數(shù)作為個體的雌性適合度分量估測。分析前，所有性狀的測量值均進行標準化處理［（個體表型值-群體平均值）/標準差］，使其平均值等于0，方差等于1。

用多元回歸分析估測選擇梯度時，為了避免發(fā)生共線性（colinearity）現(xiàn)象，首先分析了各測量性狀間的相關(guān)性。因為，冠筒長和花序頭直徑顯著相關(guān)，本研究在選擇梯度分析模型中去除了花序頭直徑性狀。因為，個體雌性適合度（結(jié)籽數(shù)）數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布條件，本研究采用負二項分布而非普通線性模型估計了各性狀的選擇差和選擇梯度。另外，在選擇梯度分析中，本研究首先在回歸模型中包括了所有測量性狀，即建立了全模型；然后，進一步通過逐步回歸得到最小充足模型。與全模型相比，最小充足模型其顯著項和符號均與全模型保持一致，但顯著性有所增強；其中，相關(guān)選擇梯度在全模型中無顯著項而未列出。最后，將最小充足模型中顯著性狀的選擇梯度，利用變量添加圖（the added-variable plots）進行回歸診斷［26］。以上統(tǒng)計分析均在R 3.6.1軟件中進行，用Sigmaplot 10.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 狼毒花性狀間的相關(guān)性

花冠筒長與冠口、小花數(shù)和花序頭直徑3個性狀間分別具有顯著的正相關(guān)性（表1），其中與花序頭直徑的相關(guān)系數(shù)最大，為0.808（P＜0.01）。小花數(shù)與株高和花序頭直徑兩性狀間也具有極顯著的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.234（P＜0.01）和0.362（P＜0.01），與其他性狀無相關(guān)性。另外，株高與單花序小花數(shù)和單株叢花序數(shù)具有正相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)分別為0.234（P＜0.01）和0.273（P＜0.01），與其他花性狀均無顯著相關(guān)性。

表1 狼毒不同花性狀間的相關(guān)性Table 1 Correlation coefficients between floral traits of S.chamaejasme（n=120）

2.2 狼毒花性狀的選擇差

冠筒長和單花序小花數(shù)均具有極顯著的正向選擇差（圖1），選擇強度分別為0.318（P＜0.001）和0.571（P＜0.001）。同樣，冠口大小檢測到微弱的正向選擇差，其選擇強度為0.175，接近顯著（P=0.056）。株高未檢測到顯著的選擇差（P=0.405）。

圖1 狼毒花性狀的選擇差Fig.1 Selection differentials of floral traits in S.chamaejasme

2.3 狼毒花性狀的選擇梯度

單花序小花數(shù)受到極顯著的正定向選擇（表2），株高受顯著的負定向選擇，冠筒長的選擇強度相對較弱。在非線性選擇估測中，冠筒長和單花序小花數(shù)2個性狀檢測到顯著的負非線性選擇梯度，分別為-0.164±0.076（P=0.031）和-0.138±0.060（P=0.023）。

通過最小充足模型分析表明（表3），在所檢測性狀中，冠筒長和單花序小花數(shù)2個性狀具有顯著的正定向選擇梯度（圖2）；同時，兩性狀也檢測到顯著的非線性選擇作用。株高僅檢測到顯著的負定向選擇作用，然而冠口大小（直徑）和單株叢花序數(shù)兩性狀均未檢測到顯著的定向和非線性選擇作用。另外，對株高與冠筒長的組合性狀檢測到微弱的正相關(guān)選擇作用，選擇強度為0.059±0.037（P=0.137；圖2）。

表2 狼毒繁殖相關(guān)性狀通過完全回歸模型分析的選擇梯度Table 2 Selection gradients of reproductive traits in S.chamaejasme analyzed by complete regression model（n=120）

表3 狼毒繁殖相關(guān)性狀最小充足模型分析的選擇梯度Table 3 Selection gradients of reproductive traits in S.chamaejasme analyzed by minimum adequate model（n=120）

圖2 狼毒花性狀標準化的選擇梯度Fig.2 Standardized selection gradients of floral traits in S.chamaejasme

3 討論

植物的功能性狀反映了其對生長環(huán)境的響應和適應［27］。普遍認為，被子植物的繁殖性狀在很大程度是通過自然選擇而進化的，因此具有較高的適應性。選擇差估測的是單個性狀受到的總自然選擇強度，包括了該性狀所受到的直接選擇以及通過其相關(guān)性狀所受到的間接選擇；然而，選擇梯度估測的是對單個性狀的直接選擇作用［8］，因此能反映一個性狀的適應性進化。本研究發(fā)現(xiàn)，狼毒的單花序小花數(shù)不僅具有顯著的定向選擇差，而且具有顯著的定向選擇梯度，表明在狼毒自然種群，花序小花數(shù)總體上會受定向選擇，也就是說，花序小花數(shù)相對較大的個體具有選擇優(yōu)勢。許多研究顯示，植物的花數(shù)量易遭受定向選擇作用，例如Conner［28］對野蘿卜花（Raphanus raphanistrum）的研究，Hodgins等［29］對三蕊水仙花（Narcissus triandrus）的研究，以及Zhang等［9］對鼠尾草（Salvia digitaloides）的研究均表明，花數(shù)量受到顯著的正定向選擇作用。普遍認為，花數(shù)量比其他性狀更容易受到定向選擇，是因為其直接決定著植物胚珠和花粉的交配機會，即花數(shù)量多的個體能同時通過結(jié)實（雌性功能）和輸出花粉（雄性功能）兩種途徑獲得更高的適合度［5］；而且種子生產(chǎn)對花數(shù)量的選擇要強于對胚珠的選擇［10］。另外，花數(shù)量多的個體也可能因為其具有較大的花展示（floral display）和較高的花報酬（花蜜或花粉），即通過提高傳粉者吸引促進雌性適合度實現(xiàn)而受到選擇［1］；但是，Gomez［30］和Irwin［31］研究發(fā)現(xiàn)，花數(shù)量對植物繁殖能力的直接影響比傳粉者介導的間接影響更能影響其選擇梯度。除此之外，植物較大的花產(chǎn)量在一定程度上反映了其良好的生境條件，例如土壤中活躍、多樣的微生物條件以及由此營造的良好的水分和營養(yǎng)環(huán)境，這些有利條件反過來能促進這些個體的繁殖成功［32］。因此，小花數(shù)較多的狼毒個體的適合度優(yōu)勢也可能與其良好的生境條件密切相關(guān)。最后，本研究發(fā)現(xiàn)，狼毒的單花序小花產(chǎn)量除了受定向選擇，同時也受負非線性選擇作用，即表現(xiàn)出穩(wěn)定的選擇趨向，也就是說，狼毒的花序小花數(shù)盡管受定向選擇而呈現(xiàn)增大的進化趨勢，但在一定程度上會趨于飽和而維持在一定范圍，即達到上限值［8］。這可能是因為狼毒個體為多花序叢生，其單花序適合度（即結(jié)籽數(shù)）易受整株資源權(quán)衡的影響，導致單花序更多的小花因資源限制而不能轉(zhuǎn)化成適合度優(yōu)勢，致使該性狀值趨于飽和。

植物的花冠管長［33］或距長［34-35］通常影響傳粉者與花結(jié)構(gòu)的匹配度，進而影響植物的傳粉效率和適合度。具有細長花冠筒的植物，傳粉者訪花時須將其喙伸入冠筒內(nèi)才能取食花粉或花蜜，因此，花冠筒長直接決定著花粉的轉(zhuǎn)移和沉積量，進而影響植物的繁殖成功。也就是說，花冠管長度容易受到傳粉者驅(qū)動的選擇而發(fā)生適應性進化［36］。本研究發(fā)現(xiàn)，狼毒的花筒長受到顯著的正定向選擇作用，即花筒長度較長的個體具有相對的適合度優(yōu)勢。這在很大程度上與其傳粉昆蟲的喙長密切相關(guān)。達爾文推測，長口器昆蟲選擇深冠筒花，是因為植物“迫使蛾子將喙伸入到冠筒底部能得到有效授粉”；他還指出，花冠管伸長本身可能會選擇口器較長的傳粉者，因為傳粉者從深花筒中獲取的花蜜量與口器長度之間具有一定的正相關(guān)性［37］。這一推測已被許多研究所證明，例如Nilsson［34］通過縮短蘭科植物細距舌唇蘭（Platanthera bifolia）和二葉舌唇蘭（P.chlorantha）的花冠筒，證明能顯著降低個體的雌雄適合度。另外，Sletvold等［4］通過對蘭科植物Dactylorhiza lapponica花表型選擇的研究也發(fā)現(xiàn)，花冠長比花大小更容易受傳粉者施加選擇壓力，即具有較長花冠筒的個體其雌性適合度越高。另有研究表明，植物花器官的增大可以有效提高花內(nèi)溫度，從而能促進胚珠發(fā)育、花粉管生長和種子發(fā)育等［38-40］。因此，本研究中花筒相對較長的狼毒個體具有的適合度優(yōu)勢也可能與其花內(nèi)溫度較高有一定關(guān)系。另外，本研究也發(fā)現(xiàn)，狼毒的花筒長除了受定向選擇，也表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定選擇趨向。也就是說，花筒并非越長越具有選擇優(yōu)勢，這除了與傳粉昆蟲的喙長密切相關(guān)外，也可能與狼毒花（序）不同構(gòu)件或性狀間的資源權(quán)衡（trade-off）有關(guān)。

植物功能性狀之間的不同組合與權(quán)衡反映了植物對環(huán)境變化的適應，其個體水平功能性狀的變異是其能量投資策略的體現(xiàn)［41］。有研究表明，植物的株高因決定其繁殖器官（如花序頭）的高度，在一定程度上能通過吸引傳粉昆蟲而受到定向選擇，即植株個體越高，越有利于其適合度實現(xiàn)［42］。本研究發(fā)現(xiàn)，狼毒的株高盡管未檢測到顯著的選擇差，但是檢測到極顯著的負定向選擇梯度，表明在該研究種群，狼毒的株高越矮，越有利于其繁殖成功和實現(xiàn)適合度。狼毒的株高受的負定向選擇可能與其生存的高海拔特殊生境密切相關(guān)。許多研究表明，高山植物容易受資源限制、各器官間資源分配權(quán)衡效應以及傳粉者數(shù)量和傳粉效率降低［43］等因素的影響，傾向減少其營養(yǎng)器官的生物量和資源投入［44-45］，相應地提高其繁殖相關(guān)性狀的資源投入。同樣，張茜等［20-21，46］研究認為，狼毒株高降低能有效減少植株水分的散失，并將其資源投入到繁殖器官（如花大?。瑥亩欣诜敝吵晒?。因此，在高寒草地惡劣生境下（如資源限制），株高相對較高的狼毒個體雖然在一定程度上能提高其傳粉者吸引力，但相應地也會增加資源投入，這將不利于狼毒最終的繁殖適合度實現(xiàn)。

4 結(jié)論

本研究通過估測狼毒花冠筒長、冠口大小、花序頭直徑以及小花數(shù)等繁殖相關(guān)性狀的選擇差和選擇梯度，分析探討了狼毒花性狀與雌性適合度的關(guān)系及其適應性。狼毒的單花序小花數(shù)量因為直接決定著個體通過胚珠和花粉的交配機會，受到顯著的正定向選擇；花部結(jié)構(gòu)性狀中，冠筒長總體反映了小花的大小，其長度決定了傳粉者進入或喙伸入花冠的相對距離，總體受到顯著的正定向選擇，同時也表現(xiàn)出穩(wěn)定選擇趨向；株高決定了花序頭距離地面的高度，對傳粉者吸引有一定影響，但是該性狀因受個體內(nèi)資源權(quán)衡以及資源分配的影響，受到顯著的負定向選擇?？傮w表明，狼毒的部分繁殖性狀尤其是小花數(shù)、冠筒長和株高等具有較大的適應性進化潛力，株高相對較矮、花筒較長和花序小花數(shù)較多的個體越有利于其繁殖適合度實現(xiàn)而受到選擇。