武汉城市森林中小叶栎遗传多样性与种群结构研究

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城市森林作为城市生态系统的重要组成部分,在改善城市生态环境方面发挥着重要作用。然而,伴随城市化进程,城市森林往往以斑块状、孤岛状零散分布于城市生态系统中,成为生境破碎化的典型区域,城市森林斑块化会加剧植物种群间的隔离,增加小种群近交衰退的机率,致使种群结构不稳定,最终降低生物多样性和减弱生态系统服务和功能。因此,了解生境破碎化严重的城市森林中植物能否通过花粉传播或者种子传播进行斑块之间的基因交流,维持其种群遗传多样性和种群结构,将对城市森林群落的功能发挥有深远影响。武汉市作为我国的大型城市,其森林破碎化严重,残留在中心城区的森林斑块面积较小,零散分布于公园、大学等受保护区域的独立山体上。壳斗科栎属植物小叶栎(Quercus chenii)是我国特有物种,于20世纪中后期被广泛应用于武汉中心城区的恢复造林中,现已经成为这些斑块的优势树种。本研究以武汉城市森林为研究地点,以小叶栎为对象,利用微卫星分子标记手段对其种群遗传特性开展研究,对比分析幼苗和成树的遗传多样性和遗传结构,并且通过样方调查,分析小叶栎种群的种群结构和数量动态,以探讨高度斑块化和人类干扰频繁的城市森林中,优势树种能否实现种群的自我维持和发展。主要的研究结果如下:基于6对核SSR标记对武汉市8个斑块中463株小叶栎幼苗个体和154株母树个体进行遗传多样性研究。发现,8个斑块中小叶栎种群具有较高水平的遗传多样性(Na=17,Ne=3.806,I=1.529),小叶栎种群中幼苗和成树的遗传变异均主要发生在种群内(90%),其中幼苗的种群内变异(97%)高于成树(92%);主成分分析和STRUCTURE分析也证明,无论在幼苗阶段还是成树阶段,8个小叶栎种群间均没有明显的遗传差异;总体上幼苗在种群间的基因流(Nm=13.191)大于成树(Nm=7.892)。这些结果表明,在所选的武汉森林斑块中,隔离没有限制小叶栎在斑块之间的基因流,这可能和小叶栎风媒传粉且花粉传播距离远的特性相关,此外具有长距离扩散栎树种子能力的松鸦也可能为其种子流提供了可能。为了探明城市森林斑块化对小叶栎基因流的影响,诸如基因流的方向和强度等方面的影响,我们假定成树样本5m范围内的幼苗均为其子代,其它成树为其候选父本(花粉来源),亲权鉴定研究结果显示,只有13株(9%)幼苗找到了父本,其中磨山两株(15%)幼苗的父本存在于母树斑块内,其它来源于周围的斑块。该结果在一定程度上反映小叶栎个体之间的花粉流存在。另外,由于本实验引物数量较少,无效等位基因的存在可能是亲本匹配率低的主要原因。通过对其中4个森林斑块中50 m × 50 m固定样地内的2015年和2020年小叶栎个体的数量动态和径级结构进行对比分析发现,小叶栎种群的年龄结构呈现为钟形,五年内新增率较低,死亡率较高,死亡个体主要集中在胸径<15 cm的低龄阶段。我们推测种群死亡率低可能是由于斑块化导致隔离致使近交衰退,为了探明种群死亡率低的真实原因,本研究利用宏观结合微观的方式来揭示生境破碎化下对武汉市不同森林斑块内小叶栎种群的影响,结果将有助于全面认识小叶栎在城市森林中的生存力,适应潜力以及种群未来发展的趋势,为城市森林管理与保护策略提供理论基础。
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