泰山柳遗传多样性及种群生态学研究

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泰山柳是我国特有植物,呈孤立的岛屿状分布于我国暖温带高海拔山地地区,观赏性强,具有园林绿化开发价值。本文在对泰山柳野生资源调查的基础上,通过野外调查与室内实验,对该物种的资源现状、遗传多样性与遗传结构、群落特征、种群结构与动态、种内与种间竞争关系等方面进行了综合研究,旨在揭示泰山柳的遗传多样性水平及遗传变异在各野生群体间的分布,并通过分析处于濒危状态的泰山地区泰山柳生存现状,阐明其受威胁因素,为泰山地区泰山柳的保护提供科学依据。主要研究结果和结论如下:1泰山柳遗传多样性和遗传结构分析利用CDDP分子标记技术对泰山柳4个居群的遗传多样性和遗传结构进行了分析,结果表明:13对CDDP引物共检测到128个位点,多态位点百分率(PPL)73.44%。Nei’s遗传多样性指数(H)为0.2227,Shannon(I)信息指数为0.3505。表明泰山柳物种水平遗传多样性较低。而在居群水平上,多态性位点百分率(PPL)平均为53.71%,Nei’s遗多样性指数平均为0.1932,Shannon信息指数平均为0.2864。其中山西庞泉沟居群遗传多样性水平最高(PPL=58.59%,He=0.2040 I=0.3044),山东泰山居群遗传多样性水平最低(PPL=49.22%,He=0.1808,I=0.2680)。分子遗传方差分析(AMOVA)显示,群体内部和群体之间存在显著的遗传分化(P<0.001),其中79.71%的变异存在于群体之间,20.29%存在于群体内部。遗传变异分析表明,群体间基因分化系数(Gst)为0.1723,基因流(Nm)为2.4014。Mantel检测和聚类分析结果均表明,居群间的遗传距离和地理距离之间没有明显的关联性(r=-0.3189,P=0.7083)。泰山柳的贝叶斯遗传结构分析(STRUCTURE)与遗传距离的主坐标分析(PCoA)结果基本一致,均将供试115份泰山柳个体划分为4个类群,其分组结果具有明显的地理区域特性。2泰山柳群落特征及分析采用群落生态学研究方法,对泰山柳群落物种组成、垂直结构和物种多样性进行了分析。结果表明:该群落中物种丰富度较低,共有维管束植物26科42属47种,其中含单属种的科较多。该群落乔木层中油松和花楸的重要值最高,分别为58.94%和31.67%,而灌木层中泰山柳和牛叠肚的重要值较高,分别为19.87%、19.21%。草本层中糙苏和大披针苔草的重要值较高,分别为27.75%、10.95%;泰山柳群落物种Margalef指数、Shannon-Wiener指数、Simpson指数、Pielou指数均为草本层>灌木层>乔木层;各样地的4种多样性指数表现出明显的差异性。总体来说泰山柳群落物种多样性较低,群落稳定性差,建议加强对其生境的监测与管理,促进泰山柳种群更新和稳定增长。3泰山柳种群结构及动态特征通过对泰山上泰山柳种群野外调查,从种群龄级结构、静态生命表、生存分析函数及时间序列预测模型分析分析了泰山柳的种群数量动态发展趋势。结果表明:泰山柳种群现存的种群幼苗个体稀少,种群结构呈基部狭窄的非典型钟形,种群存活曲线趋于Deevey-Ⅱ型,表明种群处于相对稳定状态。泰山柳种群死亡率qx和致死力Kx曲线在第Ⅲ径级出现峰值,说明泰山柳第Ⅲ径级向第四径级发育过程中存在一定的瓶颈效应。生存函数表明泰山柳种群生命状态具有前期波动,后期相对稳定的特点。对种群未来2年和4年的时间序列预测表明,泰山柳高径级的种群数量有小幅上升趋势,但由于幼苗储备不足,维持种群现有的生境难以保障泰山柳种群稳定持续增长。4泰山柳种内与种间的竞争关系以整合的基径代替胸径,采用Hegyi单木竞争指数模型对灌木泰山柳进行种内、种间竞争关系分析。结果表明:泰山柳的种内、种间竞争强度分别占总竞争强度(86.11)的35.01%、64.99%,说明泰山柳的竞争压力主要来自种间。随着泰山柳基径的增加,种内、种间竞争强度均逐渐降低。对泰山柳产生竞争影响的树木共9种,其竞争强度顺序依次为:泰山柳>花楸树>紫椴>油松>连翘>湖北海棠>天目琼花>金花忍冬>巧玲花。整个林分竞争指数和伴生树种竞争指数都与对象木基径近似地服从幂函数关系(IC=AB-K),根据函数模型可以看出,当泰山柳基径达到10 cm后,竞争强度趋于平稳,而基径小于10 cm的泰山柳受到强烈的竞争强度,对于基径小于10 cm的个体可以清除周围部分竞争木,给予其足够的生存空间,从而达到保护的目的。5泰山地区泰山柳保护策略综合以上研究结果,致使泰山地区泰山柳种群自然更新困难,呈衰退演化趋势的主要原因有:1)泰山柳遗传多样性水平较低,小种群效应导致近交衰退。2)种群在群落优势地位不明显,实生苗生成困难(结实率低,幼苗生长条件差等);3)生境条件恶劣,竞争能力弱。4)泰山柳所处生境受人为干扰严重(旅游热点开发区),阻碍了种群有效拓展途径,进一步加剧了种群的衰退趋势。在此基础上上提出以下建议:1)采用遗传拯救的方式,促进各居群间的基因交流;2)保护种群原有生境,加强人工管理;3)人工繁殖钟苗并进行野外回归。
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