极小种群野生植物毛果木莲的保护生物学研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ZHUTINGFNEG12
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毛果木莲(Manglietia ventii N.V Tiep)是受国家Ⅱ级重点保护的木兰科(Magnoliaceae)木莲属(Manglietia)常绿乔木,仅分布于云南省的屏边、河口及金平等地。该物种是受世界广为关注的极度濒危植物,同时还是国家亟待拯救保护的极小种群野生植物,被云南省列为20种优先拯救保护的重要类群。本论文首次系统研究了毛果木莲的生境特征(含土壤理化性质)及种群结构、繁殖生物学特性、遗传多样性水平及遗传结构,探究了导致该物种濒临高度灭绝风险的主要生物学及生态学因子,提出了相应的保护策略、措施。主要结果如下:  1生境特征、土壤理化性质及种群结构  对分布于的屏边、河口及金平三县境内的毛果木莲种群的生境状况、种群大小、径级(DBH)和年龄结构进行了系统调查、科学数据采集和分析。毛果木莲多分布在村寨周围和农田附近,除极少数分布于龙山等圣境外,生境均受到严重的人为干扰。结合其生境受人为干扰的程度,分析了具代表性的29个毛果木莲样方内的土壤理化性质,其土壤呈酸性[pH=3.15-5.66(水土比为2.5∶1)]、有机质含量4.55-145.03 g/kg、全氮含量0.08-7.15 g/kg、全磷含量0.16-1.00 g/kg、全钾含量1.97-33.59 g/kg、速效氮含量30.54-801.04 mg/kg、速效磷含量0.44-33.19mg/kg、速效钾含量35.31-310.11 mg/kg;毛果木莲植株不同分布点的土壤肥力变化较大,各指标在不同样地内的含量没有表现出一致的趋势。毛果木莲的一些分布点与同属于木兰科极度濒危的华盖木有重叠,但在3200 m2的重叠区域的8个样方中,仅定位到25株毛果木莲。根据采集的毛果木莲其径级数据,并参照已报道的濒危等级更高的木兰科另一个种华盖木的径级划分标准,对定位到的331个个体的径级分级分析显示:Ⅰ级(幼苗DBH<2.5cm)、Ⅱ级(小树DBH2.5-7.5cm)、Ⅲ级(中龄树DBH7.5-22.5 cm)、Ⅳ级(成年树DBH22.5-67.5 cm)和Ⅴ级(大树DBH≥67.5 cm),分别为52株(占15.71%)、47株(占14.20%)、113株(占34.14%)、114株(占34.44%)和5株(占1.51%);从径级分级结果看,毛果木莲种群具有一定增长潜力属于缓慢增长型,但其种群自然更新能力仍较弱。  2繁殖生物学特征  毛果木莲的花为雌蕊先熟的两性花,其开放始于黄昏时分至夜间并伴随有浓郁的花气味释放,花气味是昆虫访花的主要信号。毛果木莲的单花花期持续约6天,雌蕊和雄蕊功能的有效展示阶段分别在单花开放的第一天和第二天,花朵呈“开放-闭合-再次开放”的节奏,但可明显的被分为雌蕊成熟前期、雌蕊成熟期、雄蕊成熟前期、雄蕊成熟期和雄蕊期等5个阶段。毛果木莲的花期是当地雨季,其花朵朝向下的这一特征可能与避免花粉因雨水的冲刷流失而影响其繁殖适合度相关。  对访花昆虫种类和行为的观察数据统计发现,象鼻虫(Sitophilus sp.,Curculionidae,Curculionoidea,Coleoptera)和金龟甲(Anomala sp.,Rutelidae,Scarabaeoidea,Coleoptera)应是毛果木莲的有效传粉者。但它们在访花昆虫中的比例和数量都不高。夜间开花的毛果木莲通过释放花气味吸引访花昆虫,且昆虫访花的活跃程度与花气味的释放量呈正相关;采用动态顶空吸附法采集单花雌蕊成熟期和雄蕊成熟期的花气味,气相色谱-质谱仪检测其成分主要为柠檬烯、β-蒎烯、α-蒎烯、1,8-桉叶素、2-甲基丁酸甲酯、对聚伞花素、3-甲基-2-丁烯酸甲酯和2-甲氧基-2-甲基-3-丁烯等;非线性多维标度分析(NMDS)和主成分分析(PCA)显示居群间花气味成分存在一定的分化。其中单萜类成分是甲虫主要的信息素,检测到这类化合物有助于进一步确定传粉昆虫。  毛果木莲的自然座果率(8.89±5.09%)和结实率(3.08±1.64%)都不高,人工授粉能显著提高座果率(F4,10=31.6,P<0.0001)和结实率(F2,170=950.1,P<0.0001);自然授粉与同株异花授粉花朵的座果率差异不显著(P=0.140,Tukeys post-hoc test),而异株异花授粉的座果率均显著高于自然授粉和同株异花授粉(P=0.001 and0.012,Tukeys post-hoc test),人工异株异花授粉的结实率高于同株异花授粉(P<0.0001),孤立植株或小种群分布的毛果木莲极易发生近交衰退。  3遗传多样性水平和遗传结构  采用磁珠富集法,开发了12对多态性高、可用于毛果木莲遗传多样性研究的SSR引物。采用12对SSR引物对毛果木莲5个野生居群及2个迁地保护群体共444个单株个体的遗传多样性水平和遗传结构进行了检测和分析。结果表明,在物种水平上,多态位点百分数(PPB)为100%,Neis基因多样性指数(H)为0.654,Shannon,s信息指数(I)为1.323;在居群水平上,多态位点百分数(PPB)为100%,Neis基因多样性指数(H)为0.570,Shannons信息指数(I)为1.043。河口居群(HK)拥有较高的遗传变异(PPB=100%,AE=3.685,I=1.257 and HE=0.624),而昆明植物园迁地居群(KBG)的遗传变异水平最低(PPB=100%,AE=1.864,I=0.697 and HE=0.370)。毛果木莲野生居群间的遗传分化系数GST为0.128,表明其居群间没有明显的遗传分化,推断该物种的片段化的“小居群”是近期人为干扰导致的。AMOVA分析显示,遗传变异(72.35%)主要存在于居群内;与木兰科其他植物相比毛果木莲维持了较高的遗传多样性。  4保护策略、措施探讨  综合分析本研究结果表明:毛果木莲现存分布区狭窄、成年个体相对孤立,生境受到严重的人为干扰和破坏,自然条件下种子萌发和幼苗或幼树的形态建成困难,其种群自然更新能力差;该物种有效传粉媒介不足,且极易发生近交衰退而产生生殖障碍;现存毛果木莲维持了较高的遗传多样性,但迁地保护群体的遗传多样性极低。因此,进一步拟采取的保护策略、措施包括:①毛果木莲的就地保护应建立科学的保护小区,制定优先管理制度,降低人为因素的干扰,促进其种群和生境恢复;②采取人工辅助授粉措施,提高结实量,保证有足够的种子在其自然生境中散布萌发,形成植株;③基于本研究结果,制定能最大限度捕获遗传多样性的采种策略,进行人工育苗,构建有效迁地和回归(包括增强回归)种群;④研发种子的种质库保存技术,进行种子保存。
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