特有濒危植物琅琊榆、醉翁榆种群动态及小尺度空间遗传结构研究

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琅琊榆(Ulmus chenmoui)、醉翁榆(Ulmus gaussenii)均为榆科(Ulmaceae)榆属落叶乔木,为我国狭域分布的特有树种,主要分布在安徽滁州琅琊山国家森林公园内。琅琊榆、醉翁榆集中分布区均为核心景点,树下地表固化现象十分严重,种群自然更新受到限制,人为干扰(旅游活动以及不合理的园林管理)亦对其生长造成不利影响。近三十年来,醉翁榆已出现古树个体大量死亡现象,而琅琊榆留存的大树也较少,且多属老龄植株,幼树多分布于灌丛中,生长不良,干形弯曲,侧枝横生,有濒于绝灭的危险。琅琊榆、醉翁榆均被列为国家Ⅲ级保护植物。2014年5月,选择琅琊榆分布集中的南天门附近(32°16.5506’N,118°16.5685’E),以及醉翁榆分布集中的醉翁亭附近(32°17.1317’N,118°17.0101’E),划分样方,对每株进行定位和采样。按照胸径变幅将琅琊榆、醉翁榆种群划分为6个径级:小于2.5cm为Ⅰ径级,2.5-7.5cm为Ⅱ径级,7.5-12.5cm为Ⅲ径级,以此类推,每间隔5cm为一个径级,大于22.5cm为Ⅵ径级(其中Ⅰ径级为苗木群体,Ⅱ-Ⅵ径级为立木群体)。进行种群径级结构和动态,以及小尺度空间遗传结构分析,主要得到以下结论:(1)琅琊榆种群总个体数116株,其中Ⅰ径级个体数最多,占该种群总数的58.6%,其他各径级分别占种群总数的8.6%、3.4%、3.4%、3.4%和22.4%,仅Ⅰ径级个体为聚集分布,其它径级个体均为随机分布。相邻各径级间个体数量变化动态值(Vn)仅前两个径级大于零,种群动态指数46.7%,考虑种群外部干扰时,种群动态指数1.9%。琅琊榆虽属增长型种群,但种群径级结构不合理,种群更新不良,幼苗发育到下一年龄级受到严重干扰。醉翁榆种群总个体数422株Ⅰ径级个体最多,达到种群总数的61.1%,Ⅱ径级个体占种群总数的31%,其他径级分别占种群总数的3.1%、0.9%、0.7%、3.1%。醉翁榆Ⅰ、Ⅱ径级个体为聚集分布,其它径级个体均为随机分布。相邻各径级间个体数量变化动态值(Vn)除V径级外均大于零,种群动态指数59.9%,考虑种群外部干扰时,种群动态指数3.3%。醉翁榆属增长型种群,但种群结构增长性低,趋于稳定型。幼树(包括幼苗)在长成过程中,由于竞争或自疏导致个体大量死亡,个体在进入主林冠层的过程存在一定难度,尤其是Ⅱ径级的个体从亚林冠层进入主林冠层,竞争作用加强,个体死亡率较高。(2)本实验采用改良的CTAB法提取叶片样本DNA,使用经过改进的基于锚定PCR技术的筛库法,进行复合核微卫星(nSSR)引物开发。设计琅琊榆nSSR引物44对,醉翁榆82对。筛选后分别选取9对、10对条带清晰、多态性较好的nSSR引物对琅琊榆、醉翁榆种群进行种群遗传多样性和小尺度空间遗传结构分析。另外,在琅琊榆基因组内检测烟草叶绿体微卫星(cpSSR)的通用性,选取6对有多型的cpSSR引物对琅琊榆种群进行遗传多样性和单倍型分析。(3)琅琊榆种群在nSSR水平(He=0.679)和cpSSR水平(h=0.419)均维持了较高的遗传多样性。琅琊山森林公园成立时间较短,其种群受人类活动干扰的时间不长,对于长寿命树木来说,生境片段化、随机漂变、近交衰退等情况对种群遗传多样性的影响可能还未显现出来。琅琊榆IV径级期望杂合度显著低于其他径级,综合种群径级结构和空间分布研究结果考虑,琅琊榆大树(V、Ⅵ径级)遗传多样性水平较高,并能传递给子代,但由于幼苗、幼树在长成过程中个体大量死亡,导致中等径级的个体遗传多样性显著下降。琅琊榆种群共有7种单倍型,Ⅰ径级单倍型种类最多,共6种,其中3种为Ⅰ径级独有,表明在琅琊榆苗木群体中存在高度变异,或种子库中具有丰富的遗传多样性。Ⅳ、V径级仅有一种单倍型,表明幼龄个体在长成过程中个体的大量死亡,导致单倍型种类丢失。醉翁榆种群遗传多样性水平较低(He=0.433),上世纪90年代醉翁榆古树的大量死亡给种群遗传多样性水平造成了严重的、无法挽回的遗传损失。各径级间不存在遗传多样性的显著差异,但Ⅴ、Ⅳ径级He略低于其他径级,可能是由于幼苗、幼树在长成过程中个体大量死亡,导致中等径级的个体遗传多样性显著下降。两个种群较高的近交水平可能是由于琅琊榆(Fls=0.492)、醉翁榆(FIs=0.413)天然种群属狭域分布种,分布范围极为有限,种群内亲本数量有限,且不存在异地花粉、种子迁入,故而存在较为强烈的近交,导致幼年群体具有较大的近交系数,而随着植株密度的不断增大,个体间竞争加剧,导致近亲个体大量死亡,即在种群自疏过程中更多地选择杂合基因型,从而造成成年个体具有更低的近交系数。(4)琅琊榆种群在64m范围内存在显著小尺度空间遗传结构(SGS),且强度较大(Sp=0.0293),立木群体及苗木群体在58m、56m范围内存在显著SGS(Sp=0.0459、0.0343)。琅琊榆翅果主要靠风力传播,群落内较高的植株密度限制其基因散布,是该种群高强度SGS的主要原因之一。实验种群内老龄树个体较少,且亲缘系数较高,建立者效应及微环境的选择作用可能是该种群最初形成SGS的原因,而种群高度的近交水平及受限的基因流使SGS在世代中得以维持。在种群更新过程中,种群密度增高增加了种子雨重叠,在一定程度上减弱了苗木群体的SGS,同时根据基因流估算,苗木群体较立木群体有更广泛的基因流(56m,47m),也在一定程度上削弱了苗木群体的SGS。醉翁榆种群在46m范围内存在显著SGS,强度处于中等水平(Sp=0.0107),立木群体及苗木群体在49m、40m范围内存在显著SGS (Sp=0.0072.0.0149)醉翁榆基因流主要靠风力传播,而其分布区域醉翁亭附近处于山脚较为平坦开阔地,风力较弱,不利于其基因散布,同时,该处是游客活动较为集中的区域,建筑物较多,土地固化严重,对种子萌发有一定的限制,这些因素是该种群形成SGS的主要原因。实验种群内老龄树个体较少,且亲缘系数较高,建立者效应及微环境的选择作用可能是该种群最初形成SGS的原因,而种群高度的近交水平及受限的基因流使SGS在世代中得以维持。由于种子流受限,幼苗多集中分布于母本附近,使得醉翁榆苗木群体形成较高强度的SGS,而幼树在生长过程中由于自疏或种间竞争导致个体大量死亡,同时根据基因流估算,立木群体较苗木树群体有更广泛的基因流(68.3m、35m),都一定程度上削弱了立木群体的SGS。(5)琅琊榆、醉翁榆种群生境受人类活动干扰严重,种群自然更新不良,二者均存在很高的杂合子缺失,同时存在显著小尺度空间遗传结构,暗示着种群可能出现近交衰退风险。针对种群生存现状,有必要开展相关就地保护和迁地保护工作,包括设立自然保护区,减少人类活动干扰;构建种子库和利用营养体繁殖保存关键基因型等。在迁地保护时,琅琊榆采样个体距离应大于64m、醉翁榆采样个体距离应大于46m,以降低样本间遗传相似性。
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