木果柯功能性狀的種內(nèi)變異及其與遺傳·環(huán)境和個體發(fā)育的關(guān)系

潘 霞,姚志良,楊 欣,田佳玉,林露湘，李巧明

(1.中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園熱帶森林生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南昆明 650223；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京100049;3.海南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,海南?？?570228；4.云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院暨云南省高原山地生態(tài)與退化環(huán)境修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南昆明 650500;5.云南西雙版納森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站,云南勐臘 666303)

植物功能性狀是與植物定植、生長、存活、繁殖有關(guān)的一系列植物屬性[1-2]，這些屬性可以單獨(dú)或者聯(lián)合指示植物對環(huán)境的適應(yīng)與響應(yīng)策略[3]，同時可以影響生態(tài)系統(tǒng)功能或過程[4]。功能性狀在生態(tài)學(xué)研究中具有廣泛的應(yīng)用，如功能性狀與植物生長、存活等的關(guān)系[5-7]，基于功能性狀研究植物分布與環(huán)境的關(guān)系[8-10]，基于功能性狀分布格局推導(dǎo)群落的構(gòu)建機(jī)制[11-13]，功能多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)系等[14-15]?；诠δ苄誀畹纳鷳B(tài)學(xué)研究通常采用物種多個個體功能性狀的平均值來表征物種水平的功能性狀。然而，性狀平均值只是對某一區(qū)域內(nèi)若干個體變異的統(tǒng)計描述，其有效性與個體變異幅度密切相關(guān)[16]。在很多情況下，功能性狀在種內(nèi)的變異不可忽視，如功能性狀種內(nèi)變異對植物的分配性狀和器官水平性狀的作用不同[17]；功能性狀種內(nèi)變異影響著生物與生物之間及生物與其環(huán)境之間的相互作用[18-19]，影響著種群的數(shù)量和動態(tài)[20-21]，在物種共存[22]和群落構(gòu)建中有重要作用[23-24]。大多數(shù)研究僅僅關(guān)注物種水平的功能性狀，較少考慮功能性狀的種內(nèi)變異。然而，已有越來越多的研究發(fā)現(xiàn)功能性狀種內(nèi)變異在生態(tài)學(xué)研究中的重要性[25-27]。

功能性狀的種內(nèi)變異是同種生物的不同個體表型差異的一種具體體現(xiàn)[28]，通常是由于個體之間的遺傳變異和物種本身的表型可塑性產(chǎn)生。遺傳變異是個體基因型之間的表型變異，由遺傳漂變、自然選擇、基因突變、遷移產(chǎn)生，在群體水平上又稱遺傳多樣性，隨著基因型數(shù)量在種群內(nèi)增加，種群內(nèi)個體間的差異也會更明顯[29]?；蛐椭g競爭能力的差異可能導(dǎo)致局域尺度上的非傳遞性競爭，允許競爭對手在更大尺度上實(shí)現(xiàn)共存[19-30]。在一些模式植物中，某些功能性狀的變異很大程度上受遺傳變異的控制[31-32]。表型可塑性是單個基因型在不同環(huán)境條件下所表達(dá)的表型變異[33]，體現(xiàn)了一個物種對環(huán)境變化的適應(yīng)與響應(yīng)[34]，是植物應(yīng)對環(huán)境變化的重要機(jī)制之一。研究表明，植物分布范圍越廣，所處的環(huán)境變化越大，個體往往在其性狀上表現(xiàn)出廣泛的變異性，這通常被解釋為環(huán)境條件或局域適應(yīng)變化，功能性狀種內(nèi)變異越大，說明環(huán)境因子對功能性狀的塑造越明顯[34-35]。個體發(fā)育被認(rèn)為是同種生物不同個體間種內(nèi)變異的主要來源[36]，是由個體發(fā)育調(diào)節(jié)的性狀表達(dá)變化引起的，這些性狀表達(dá)可能與環(huán)境相互作用，也可能獨(dú)立于環(huán)境而發(fā)生[37]。在干旱條件下，葉片氮含量和葉片光合性狀隨年齡而發(fā)生顯著變化，但不隨水分處理而變化[38]；幼年時期，植物的葉面積、比葉面積和葉干物質(zhì)含量變化更大，即與植物快速生長相關(guān)的性狀變化更大，而成年后植物功能性狀變異比幼年時期小，功能性狀策略更趨近于保守[39]。全球植物群落中植物功能性狀變異約25%由種內(nèi)變異產(chǎn)生[26]。

對功能性狀種內(nèi)變異來源的認(rèn)知是群落和生態(tài)系統(tǒng)研究中準(zhǔn)確應(yīng)用功能性狀的前提[40-41]?？傮w來說，種內(nèi)變異的來源可以大致歸為3類：環(huán)境異質(zhì)性[35，42-44]、遺傳變異[45-46]和個體發(fā)育階段差異[47-49]。筆者依托在哀牢山北段按公里網(wǎng)格布設(shè)的20個亞熱帶常綠闊葉林1 hm2動態(tài)樣地，選取樣地內(nèi)所有的木果柯DBH≥10 cm的個體，總計820株作為研究對象，測量其個體水平的6個功能性狀(葉面積、比葉面積、葉片厚度、葉干物質(zhì)含量、葉綠素含量和枝條木質(zhì)密度)，解析在區(qū)域尺度上個體發(fā)育階段差異、環(huán)境異質(zhì)性和遺傳變異對木果柯各功能性狀種內(nèi)變異的相對作用，旨在為深化理解功能性狀種內(nèi)變異的來源提供證據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況該研究在哀牢山亞熱帶常綠闊葉林公里網(wǎng)格生物多樣性觀測平臺中采樣，該觀測平臺位于云南省中部，連接云貴高原、橫斷山地和青藏高原，是滇中高原與滇西縱谷區(qū)的分界線[50]。哀牢山北段徐家壩地區(qū)位于101°02′E，24°32′N，海拔2 460 m，西坡山麓的川河壩區(qū)在哀牢山與無量山包圍的山谷中，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候隨海拔呈現(xiàn)出中亞熱帶、北亞熱帶和暖溫帶氣候等不同的氣候類型，年平均氣溫為11 ℃，最熱月平均氣溫為16.4 ℃，極端低溫為-8.3 ℃[50-51]。哀牢山北段有豐富的植物資源，其中物種分布有裸子植物6科11屬13種，被子植物139科424屬792種，包括松科(Pinaceae)、柏科(Cupyressaceae)、杉科(Taxodiaceae)、殼斗科(Fagaceae)和樟科(Lauraceae)等[51-52]。該研究樣地設(shè)置根據(jù)美國史密森熱帶研究所熱帶森林科學(xué)中心(Center for Tropical ForestScience,CTFS)的樣地建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[53]。徐家壩地區(qū)已經(jīng)建成20個1 hm2的樣地，每個樣地之間最近距離為430 m，最遠(yuǎn)距離為6 647 m。

1.2 研究材料木果柯(Lithocarpusxylocarpus)，屬于山毛櫸目殼斗科柯屬植物，喬木，植株高達(dá)30 m，胸徑90 cm，灰褐色樹皮，葉片橢圓形或者倒披針形，革質(zhì)，嫩葉背面有卷柔毛，葉片干后正面光澤油潤，葉柄長約1 cm。常雌雄同序，花序軸被絨毛；雌花每3朵1簇，花柱長達(dá)2 mm；殼斗近圓球形，全包堅(jiān)果；堅(jiān)果為近圓球形或?qū)挋E圓形，花期5—6月，果次年9—10月成熟[54]。

1.3 研究方法

1.3.1功能性狀的測定及種內(nèi)變異的度量。該研究共選取6個功能性狀：葉面積(leaf area,LA)、比葉面積(specific leaf area,SLA)、葉綠素含量(chlorophyll content,CC)、葉片厚度(leaf thickness,LT)、葉片干物質(zhì)含量(leaf dry matter content,LDMC)、枝條木質(zhì)密度(branch-wood density,B-WD)，用枝條木質(zhì)密度代替木質(zhì)密度[55]。功能性狀的生態(tài)策略見表1[56-60]。于2021年3—4月(旱季)對樣地內(nèi)所有DBH ≥ 10 cm的木果柯個體的葉片和小枝進(jìn)行采樣并進(jìn)行功能性狀測量，方法均參考功能性狀采集及測量手冊的方法[3-60]。

表1 木果柯6種功能性狀所代表的生態(tài)策略

具體測量方法：每個個體在外圍向陽面選取3片健康完好葉片，所采葉片都帶完整葉柄，在葉片采集的同時用SPAD-502葉綠素儀測定葉綠素含量并記錄。測量后將葉片裝入自封袋，自封袋中提前噴水放入紙巾保濕，帶回實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)天用1/1 000精度的電子天平測量葉片鮮重，用游標(biāo)卡尺測量葉片厚度并記錄。隨后將葉片放置于掃描儀上掃描，掃描后的葉片圖像存入電腦，以便于進(jìn)一步用imageJ圖像軟件計算葉片面積。將掃描完的葉片裝入信封，用烘箱在70 ℃下烘72 h至恒重，然后用1/1 000精度的電子天平稱量其干重并記錄。枝條密度是采集其向陽面第1分支的枝干10～15 cm，并用濕紙巾包裹好放入自封袋中，當(dāng)天回到實(shí)驗(yàn)室用水替代法測定其體積。將測量好的枝條放在70 ℃烘箱中烘干72 h后稱重并記錄。

將測量的功能性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用R軟件中dist()函數(shù)計算木果柯個體兩兩之間的歐式距離，處理獲得兩兩個體間的功能性狀距離矩陣。

1.3.2個體發(fā)育階段差異的度量。為探究木果柯功能性狀種內(nèi)變異否受到個體發(fā)育階段差異的影響，依據(jù)木果柯實(shí)際測量的胸徑，計算個體間胸徑差的絕對值[式(1)]，然后做兩兩間的距離矩陣,表征個體發(fā)育階段的差異。

ΔDBHij=|DBHi-DBHj|

(1)

式中,i，j代表2個不同的個體。

1.3.3遺傳變異的度量。利用3 × CTAB法，提取所有木果柯的DNA。采用微衛(wèi)星標(biāo)記技術(shù)(simple sequence repeat,SSR)對木果柯進(jìn)行遺傳多樣性檢測和分析[61]，在文獻(xiàn)中篩選出12對微衛(wèi)星簡單重復(fù)序列引物，引物信息見表2[62-65]，對所有木果柯個體進(jìn)行擴(kuò)增，獲得基因分型數(shù)據(jù)。由SSR檢測結(jié)果，利用SequentiX GelQuest軟件讀取峰值，整理出基因型數(shù)據(jù)，用GenA1Ex6.2軟件和MSA4.05軟件進(jìn)行微衛(wèi)星位點(diǎn)的遺傳多樣性分析，并構(gòu)建木果柯兩兩個體之間的遺傳距離矩陣。

表2 用于微衛(wèi)星擴(kuò)增的引物序列

1.3.4環(huán)境因子的測定及環(huán)境距離的度量。環(huán)境因子是在樣地內(nèi)10 m樁位置上，利用全站儀打點(diǎn)得到相對高差，再根據(jù)實(shí)時差分定位(Real-time kinematic,RTK)實(shí)測的四角坐標(biāo)的海拔進(jìn)行校正，得到10 m樁中每個點(diǎn)的海拔，基于10 m樁海拔數(shù)據(jù)計算每個10 m×10 m小樣方的海拔、坡度、坡向和凹凸度。以每個小樣方4個頂點(diǎn)處的海拔均值作為該樣方的海拔；以目標(biāo)樣方任意3個角構(gòu)成的平面與水平面夾角的平均值作為該樣方的坡度；以目標(biāo)樣方的海拔減去其周圍8個樣方的平均海拔作為該樣方的凹凸度，位于樣地邊緣或四角的樣方，其凹凸度值則由該樣方的海拔減去與其鄰接的若干個樣方的平均海拔獲得[66-67]。坡向采用式(2)進(jìn)行計算：

(2)

式中,fx和fy分別為該樣方從東到西和從北到南的海拔差值。坡向范圍為[0,2π]的環(huán)形變量，因此需要對其進(jìn)行正弦和余弦轉(zhuǎn)化，變成線性變量納入后續(xù)分析中。筆者利用每個木果柯在樣地中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，計算每個木果柯個體在10 m×10 m樣方中的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，采用R軟件的dist()函數(shù)計算木果柯個體兩兩之間環(huán)境因子的歐式距離，獲得環(huán)境距離矩陣。

1.3.5基于距離矩陣的多元回歸。該研究采用基于距離矩陣的多元回歸(multiple regression on distance matrices，MRM)[22]評估環(huán)境距離矩陣、遺傳距離矩陣和個體發(fā)育距離矩陣對木果柯各功能性狀兩兩個體之間的距離矩陣相對效應(yīng)。MRM是基于mantel檢驗(yàn)的一種統(tǒng)計方法，通過幾個距離矩陣來解釋某一距離矩陣的變化[68]。由于距離矩陣的值均由兩兩樣本之間的距離計算得到，觀測值之間不獨(dú)立，自由度降低，不能用簡單的多元回歸來評估各解釋變量的相對重要性[69]。MRM由R軟件中ecodist包來實(shí)現(xiàn)[70]。該研究以木果柯各功能性狀的兩兩個體間的距離矩陣作為因變量，遺傳距離矩陣、個體發(fā)育距離矩陣和環(huán)境距離矩陣作為自變量，用森林圖展示自變量的MRM標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)，通過比較回歸系數(shù)反映自變量對因變量作用的相對大小。

2 結(jié)果與分析

2.1 木果柯功能性狀的種內(nèi)變異對樣地內(nèi)820株木果柯的功能性狀進(jìn)行測量，功能性狀種內(nèi)變異的范圍如圖1所示。從木果柯6類功能性狀種內(nèi)變異結(jié)果可知，各功能性狀都存在不同程度的種內(nèi)變異，葉面積的變化范圍為10.6～92.9 cm2，比葉面積的變化范圍為40.0～132.2 cm2/g，葉綠素含量的變化范圍為36.8～64.7 μg/cm2，葉片厚度的變化范圍為0.12～0.36 mm，葉干物質(zhì)含量的變化范圍為0.39～1.14 mg/g，枝條木質(zhì)密度的變化范圍為0.39～0.93 g/cm3(表3)。

圖1 木果柯所有個體(DBH ≥ 10 cm)6個功能性狀的頻率分布Fig.1 The frequency distribution of six functional traits of all individuals (DBH≥10 cm) in Lithocarpus xylocarpus

表3 木果柯6個功能性狀的種內(nèi)變異程度

2.2 個體發(fā)育、環(huán)境因子和遺傳變異與功能性狀種內(nèi)變異的關(guān)系利用MRM方法對木果柯個體每個功能性狀進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示，個體發(fā)育對葉面積呈顯著正效應(yīng)，遺傳變異和環(huán)境對葉面積無顯著效應(yīng)；個體發(fā)育和遺傳變異對葉片厚度呈顯著負(fù)效應(yīng)，環(huán)境因子對葉片厚度呈顯著正效應(yīng)；個體發(fā)育、環(huán)境和遺傳變異對葉綠素含量均呈顯著正效應(yīng)；個體發(fā)育、遺傳變異和環(huán)境對比葉面積均呈顯著正效應(yīng)；個體發(fā)育和遺傳變異對葉干物質(zhì)含量呈顯著負(fù)效應(yīng)，環(huán)境對葉干物質(zhì)含量呈顯著正效應(yīng)；個體發(fā)育和環(huán)境對枝條木質(zhì)密度呈顯著負(fù)效應(yīng)，遺傳變異對木質(zhì)密度無顯著效應(yīng)。

注：***.P<0.001。圖2 木果柯個體之間的遺傳變異、環(huán)境距離和個體發(fā)育階段差異對功能性狀變異的影響效應(yīng)Fig.2 The effects of genetic variation,environmental distance and difference of ontogenetic stage on the variation of the functional traits among individuals of Lithocarpus xylocarpus

光照和林下覆蓋度是影響種內(nèi)變異的主要環(huán)境因子[71]，筆者根據(jù)Dawkins等[72]提出的樹冠曝光指數(shù)(crown exposure index,CEI)或光照指數(shù)(crown illumination index,CII)通過對樹冠在林冠中的暴露程度對個體樹冠所處的光環(huán)境進(jìn)行半定量評價，結(jié)合筆者對木果柯個體采樣時記錄的采樣高度(用高枝剪采樣，選取向陽面能采到的最大高度)的分析，發(fā)現(xiàn)采樣高度與樹冠曝光指數(shù)呈顯著正相關(guān)(圖3)；將木果柯各功能性狀與采樣高度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)葉綠素含量、葉片厚度與采樣高度呈顯著正相關(guān)，比葉面積與采樣高度呈顯著負(fù)相關(guān)(圖4)。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant difference between treatment (P<0.05).圖3 樹冠曝光指數(shù)與采樣高度的關(guān)系Fig.3 Relationship between crown exposure index and sampling height

圖4 木果柯所有個體的6個功能性狀與采樣高度之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between six functional traits and sampling height in all individuals of Lithocarpus xylocarpus

3 討論

盡管有越來越多的證據(jù)表明種內(nèi)變異對植物性狀變異的重要性，然而，在亞熱帶常綠闊葉林中植物功能性狀種內(nèi)變異的程度與植物功能性狀種內(nèi)變異的來源鮮見報道。該研究表明，環(huán)境因子、個體發(fā)育階段的差異以及遺傳變異在木果柯不同性狀的相對貢獻(xiàn)存在差異，這與Karbstein等[73]對白車軸草進(jìn)行功能性狀種內(nèi)變異的遺傳多樣性和生境異質(zhì)性研究結(jié)果類似，遺傳多樣性和生境異質(zhì)性顯著影響了功能性狀種內(nèi)變異。遺傳變異對大部分木果柯功能性狀種內(nèi)變異都有顯著影響，這與前人對性狀變異或植物適合度與物種遺傳多樣性的研究結(jié)果一致[74-75]。研究表明，優(yōu)勢種或者基礎(chǔ)物種的種內(nèi)遺傳變異可能會影響大量的從屬物種，優(yōu)勢種的基因型多樣性產(chǎn)生了空間異質(zhì)性，在大的空間尺度上有利于不同微環(huán)境中不同植物物種的共存[45]。在歐洲山楊的研究中發(fā)現(xiàn)，樹皮附生植物的群落組成受到了楊樹基因型變異的顯著影響[76]。木果柯作為群落中的上層優(yōu)勢種，其生態(tài)位寬度大，群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，給林下植物提供了持續(xù)適宜的生長環(huán)境，為蕨類植物和苔蘚植物提供了良好的生態(tài)空間[77]。Liu等[78]研究發(fā)現(xiàn)，木果柯個體密度在樣地中的占比不大，但是地上生物量以及枯死木卻達(dá)到了50%以上，給林下微生物和土壤提供了大量養(yǎng)分。

該研究中環(huán)境因子主要是坡度、坡向、凹凸度和海拔，環(huán)境因子對木果柯各功能性狀除了葉面積以外，均有顯著影響，說明木果柯為適應(yīng)環(huán)境條件變化，性狀也隨之改變。一般來說，低海拔地區(qū)葉片大而薄，高海拔地區(qū)的植物葉片小而厚，葉片性狀隨海拔梯度變化的高度變異是植物對環(huán)境中的輻射量、二氧化碳濃度、溫度等環(huán)境限制的響應(yīng)[79-80]。Umaa等[81]研究發(fā)現(xiàn)，葉片韌性與海拔變化呈正相關(guān)，比葉面積與海拔變化呈負(fù)相關(guān)，研究中6個物種有5個物種的木質(zhì)密度與海拔變化的相關(guān)性不顯著。同一生境內(nèi)，不同的坡度和坡面暴露對土壤濕度有影響，從而使植物生物量和葉面積增加或減少[73]。

除了受適應(yīng)性和可塑性的影響外，性狀表達(dá)也因個體發(fā)育階段不同而發(fā)生變化，個體發(fā)育的影響可能根據(jù)所測量的性狀不同而有所不同。Liu等[82]利用亞熱帶森林中59種喬木間隔5年的生長和性狀觀測數(shù)據(jù)研究表明，個體水平上的功能性狀與個體生長速率密切相關(guān)。在熱帶地區(qū)，個體發(fā)育對木材密度的影響較大，而對葉干物質(zhì)含量的影響較小[83]。李晶晶[84]采集了局域尺度樣地內(nèi)所有椆瓊楠樣本，探討了該物種功能性狀種內(nèi)變異的來源，結(jié)果顯示影響椆瓊楠功能性狀種內(nèi)變異的主要因子是個體發(fā)育。該研究中，個體發(fā)育對不同功能性狀有不同的效應(yīng)，對葉面積、比葉面積、葉綠素含量有顯著正效應(yīng)，對葉干物質(zhì)含量、葉片厚度、枝條木質(zhì)密度有顯著負(fù)效應(yīng)，說明在木果柯個體發(fā)育不同階段，各功能性狀有不同的生存策略，這是木果柯功能性狀在個體發(fā)育階段為應(yīng)對外界變化或者為了更好地生存與繁殖的一種權(quán)衡，更加表明在不同功能性狀中，個體發(fā)育對性狀的塑造也是至關(guān)重要的。

4 結(jié)論

該研究分析了木果柯各功能性狀種內(nèi)的變異程度，并探討了環(huán)境異質(zhì)性、個體發(fā)育和遺傳變異對木果柯功能性狀種內(nèi)變異的影響，主要結(jié)論如下：①木果柯各功能性狀均存在不同程度的種內(nèi)變異，其中葉面積變異最大，其次是比葉面積和葉片厚度，木質(zhì)密度、葉干物質(zhì)含量和葉綠素含量變異較??；②遺傳、環(huán)境和個體發(fā)育三者均是功能性狀種內(nèi)變異的來源，其對不同功能性狀種內(nèi)變異的塑造具有不同的重要性，其中個體發(fā)育階段差異對葉面積的正效應(yīng)最強(qiáng)，其次是遺傳變異，環(huán)境距離的正效應(yīng)最弱；遺傳變異對葉綠素含量種內(nèi)變異的正效應(yīng)在所有性狀中最強(qiáng)，而環(huán)境距離對比葉面積的正效應(yīng)在所有性狀中最強(qiáng)。

該研究進(jìn)一步證實(shí)了種內(nèi)變異在功能性狀研究中的重要性，通過探索哀牢山亞熱帶常綠闊葉林中的建群種木果柯功能性狀種內(nèi)變異程度以及功能性狀種內(nèi)變異來源，闡明了環(huán)境異質(zhì)性、個體發(fā)育和遺傳變異在木果柯功能性狀種內(nèi)變異研究中的重要性，為木果柯功能性狀種內(nèi)變異研究提供了重要依據(jù)。