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牛皮杜鹃Rhododendron aureum Georgi.(syn.Rh.Chrysanthum Pall.)为杜鹃花科杜鹃属多年生常绿矮小灌木,是长白山区唯一可以跨越海拔1000多米生长在暗针叶林、岳桦林、亚高山沼泽以及高山苔原的灌木。本研究通过对牛皮杜鹃遗传多样性与遗传结构、繁殖方式、基因表达差异、群落种间关系、群落土壤性质及微生物群落结构的分析,研究牛皮杜鹃生态适应能力。主要结果如下:1.利用AFLP分子标记技术,采用10对选择性扩增引物对长白山区的36个牛皮杜鹃野生种群的遗传多样性和遗传结构进行分析,共检测到449个位点,其中多态性位点百分率(PPL)高达99.78%,观测等位基因数(na)为2.00,有效等位基因数(ne)为1.72,Nei’s基因多样性(He)为0.40,香农信息指数(I)为0.58。表明牛皮杜鹃具有很高的遗传多样性,而且无论是按照地理区域分组还是按照海拔进行分组(表2.6,2.7),牛皮杜鹃都具有较高的遗传多样性。除暗针叶林下(PPL,2.45%in N7和18.71%in N8)及望天鹅(PPL,25.61%in WTE1和26.95%in WTE2)居群内的遗传多样性较低外,其余居群内的遗传多样性都较高(表2.5)。利用Baye Scan对AFLP位点进行基因组扫描发现牛皮杜鹃存在53个异常变异位点(outlier loci),这些位点的遗传距离与地理距离、环境气候因子显著相关,是高山环境异质性对牛皮杜鹃自然选择的结果。牛皮杜鹃居群间存在显著的遗传分化(FST=0.69),基因流较小(Nm=0.39),各居群间的整体聚类关系比较复杂。2.为进一步分析现有遗传结构关系,本文又选择了比较保守的cp DNA序列对牛皮杜鹃遗传多样性和遗传结构进行了分析。psb E-pet L和psb A-trn H转录间隔区联合片段总长度为1698 bp,在496个个体中共鉴定出16个单倍型(H1-H16),80%的居群都含有单倍型H1和H2,在巢式支系分析中H1、H2也处于中心位置,表明这两个单倍型为原始单倍型。物种水平上,单倍型多样性(Hd=0.566)和核苷酸多态性(π=0.47×10-3)也表现出较高的多样性水平。群体间遗传分化(FST=0.18)处于较高水平,单倍型谱系分析表明牛皮杜鹃无明显的谱系结构。中性检验(Tajima’s D=-1.825,P<0.05,Fu&Li’s D=-3.09637,P<0.05,Fu&Li’s F=-3.131,P<0.02)为显著负值,以及错配分布呈单峰分布(图2.16,2.17),表明牛皮杜鹃种群经历过扩张或瓶颈效应。3.在野外调查中发现自然状况下的野生种群存在大量的单克隆繁殖的小种群,AFLP分子标记技术在牛皮杜鹃的5个大种群中检测到单克隆7-13个,平均为9.8个,表明牛皮杜鹃克隆繁殖现象普遍存在。苔原带和岳桦林下的牛皮杜鹃单克隆小居群的克隆构型存在显著差异(间隔子长度:苔原带18.6±5.6,岳桦林29.7±9.7,P<0.05;分枝强度:苔原带136.7±32.9,岳桦林43.4±12.3,P<0.05),表明牛皮杜鹃具有较强的克隆可塑性,体现出对异质性生境的良好适应能力。牛皮杜鹃的克隆多样性很高(Simpson=0.84,Fager’s均匀度指数E=0.85),表明在大种群中可能同时存在有性繁殖和克隆繁殖两种形式。4.利用m RNA差异显示技术,结合实时定量PCR,对不同生境下的牛皮杜鹃新生嫩叶进行分析,获得17条差异条带,经测序比对,其中6个序列分别与如下序列高度同源:(a)丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶4(PP4),在X1706和B2529种群中表达量高,主要参与植物在应对干旱、低温胁迫下的细胞信号转导;(b)光系统I复合体的Ycf4亚基(Ycf4),在B2529和B2600处种群表达量高,主要参与光合作用中的光依赖反应;(c)向光反应性NPH3家族蛋白(NPH3),在B2300处表达量高,主要参与植物向光性生长的调节;(d)碱性7S球状蛋白(B7SG),在B2529和B2600处表达量高,参与植物的生长发育调节;(e)三角状五肽重复区蛋白(PPR),在B2600处表达量高,参与植物的生长发育和逆境防御;(f)受体样蛋白激酶(RLK),在X1706和B2529处表达量高,参与植物非生物胁迫的应答过程中的信号转导。5.从长白山主峰海拔1800m至2600m的8个不同海拔牛皮杜鹃群落中共调查到83个物种,分别属于31科58属。不同海拔牛皮杜鹃群落生物多样性存在差异,其中位于典型苔原带的群落生物多样性最高(Plot 5-Plot 7:H=0.42-0.423,D=0.379-0.389,E=0.264-0.267,R1=0.480,R2=0.260-0.270),群落结构受垂直景观带影响显著。牛皮杜鹃群落整体关联呈正相关(VR=1.55,W=148.73,χ2(0.95)64=82.529),表明整体上各物种间可以共同生存,互相促进,共同适应高山环境,群落结构较为稳定。牛皮杜鹃与其伴生植被负相关的种对数较多,牛皮杜鹃在群落中与其伴生植物竞争关系明显,其重要值与生长季平均气温呈正相关,而群落生物多样性与生长季平均气温呈负相关。6.通过比较牛皮杜鹃植物群落和非牛皮杜鹃植物群落的土壤性质、酶活、氮循环基因以及土壤微生物多样性和群落结构,发现在土壤性质方面,牛皮杜鹃群落与非牛皮杜鹃群落无显著差异,但是牛皮杜鹃群落土壤的胞外酶活性,氮循环功能基因相对丰度都显著高于非牛皮杜鹃群落,表明牛皮杜鹃群落的养分循环速率高于非牛皮杜鹃群落。土壤微生物α多样性在两种群落中无显著差异,但微生物群落结构差异显著,表明牛皮杜鹃群落可以影响土壤微生物的组成,加快营养物质矿化速率,构建一个更加适合自己生长的土壤环境以提高其对高山环境的生态适应能力。