基于防御性狀對熱帶森林樹種空間分布格局的解釋

Suphanee Glomglieng，王雪昭，曹 敏，楊 潔

(1. 中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園，云南 勐臘 666303；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引言

森林樹種空間分布格局是研究物種共存和群落構(gòu)建的基礎(chǔ)[1]。在自然森林中，樹種大多以聚集、隨機(jī)和均勻的方式分布[2, 3]。聚集的空間分布方式是自然森林中樹種分布的一種常見模式，特別是在熱帶森林，樹種在幾米到幾百米的范圍內(nèi)均可表現(xiàn)出聚集分布的格局[4～6]，但其原因目前仍不清楚[2, 4, 7]。經(jīng)典的Janzen-Connell理論認(rèn)為，母樹或高密度的同種樹種附近容易吸引高度多樣化的自然天敵。因此，聚集的同種樹種更容易受到專一性的自然天敵的攻擊，如食草動物和病原菌[8, 9]。由于自然天敵的選擇壓力，森林中聚集的同種物種難以穩(wěn)定的共存。然而，從熱帶、亞熱帶到溫帶森林，優(yōu)勢樹種通常表現(xiàn)出聚集分布的格局[4～6]。森林中樹木空間分布的這種悖論，吸引了大量的生態(tài)學(xué)研究，其中，功能性狀所介導(dǎo)的生態(tài)位分化，特別是樹種可能發(fā)展出不同程度的防御性的生態(tài)策略，以避免自然天敵的壓力，是其中重要的解釋力量。

由于植物營固著生活，無法主動躲避攻擊，因此，植物在進(jìn)化過程中形成大量的防御措施來抵抗自然天敵。聚集性的物種可能會在這個(gè)過程中分配更多資源給防御性的策略，使得它們能夠減少負(fù)密度依賴效應(yīng)的影響，抵抗病原菌和食草動物。在這種情況下，樹種和它們周圍鄰體的共有自然天敵會減少，從而增強(qiáng)聚集分布樹種的適合度[10]。植物表型的性狀，如具刺、堅(jiān)硬的葉片等，從物理的角度產(chǎn)生防御；此外，植物產(chǎn)生大量次生代謝產(chǎn)物，如萜類化合物、酚酸等黃酮類化合物，使植物產(chǎn)生毒性或者降低適口性來抵御動物的植食。總體而言，植物的防御系統(tǒng)從物理和化學(xué)兩個(gè)方面來應(yīng)對來自環(huán)境和自然天敵的不同壓力。

基于群落物種共存的原理，預(yù)測森林群落中，聚集物種比非聚集的物種可能表現(xiàn)出更強(qiáng)的防御能力。在本研究中，分別采集和測量了熱帶森林10個(gè)聚集型和10個(gè)非聚集型空間分布的樹種的物理和化學(xué)防御性狀，用以探索這些樹種在局域尺度的空間分布和共存。

2 材料和方法

2.1 研究地點(diǎn)

本研究在西雙版納熱帶季節(jié)雨林動態(tài)監(jiān)測樣地進(jìn)行。西雙版納熱帶季節(jié)雨林動態(tài)監(jiān)測樣地位于西雙版納傣族自治州勐臘縣補(bǔ)蚌村南貢山東部斑馬山山腳。樣地地理位置為21°36′42″～21°36′58″N，101°34′26″～101°34′47″E，樣地面積為20 hm2，東西長500 m，南北長 400 m，整個(gè)樣地向西偏斜19°。樣地內(nèi)海拔變幅較大，最低點(diǎn)海拔為709.27 m，最高點(diǎn)海拔為869.14 m。由于地處熱帶季風(fēng)氣候[11, 12]，雨季和旱季交替明顯。年平均氣溫為21 ℃，年平均降雨量為1532 mm，每年5～10月份為雨季，降雨量占全年降雨量的84%，11月份到次年4月份為旱季，降雨稀少[11]。樣地的土壤類型為磚紅壤。樣地包含3條溝谷，各條溝谷的底部坡度平緩，但兩側(cè)山坡的坡度較陡，溝谷底部以及兩側(cè)坡面是由望天樹(Parashoreachinensis)占優(yōu)勢的熱帶季節(jié)雨林。林冠上層高達(dá)50～60 m，中下層喬木主要有毛猴歡喜(Sloaneatomentosa)、絨毛番龍眼(Pometiatomentosa)、假海桐(Pittosporopsiskerrii)、云樹(Garciniacowa)、蟻花(Mezzettiopsiscreaghii)、染木(Saprosmaternata)等。樣地的山脊部分則是由約30～40年前被破壞之后發(fā)展起來的次生林，主要為殼斗科(Fagaceae)植物，如短刺錐(Castanopsisechidnocarpa)等[13]。樣地共有468種胸徑大于1 cm的樹種，所有胸徑大于1 cm的樹種均做了定位調(diào)查及物種鑒定。樣地于2007年完成第一次調(diào)查，2012年完成第二次調(diào)查。本項(xiàng)研究基于2007年的調(diào)查數(shù)據(jù)計(jì)算分析。

2.2 目標(biāo)樹種

為了比較本研究中聚集和非聚集分布樹種的空間分布格局，首先根據(jù)空間點(diǎn)格局分析中的L-函數(shù)，計(jì)算出樣地中優(yōu)勢樹種所有個(gè)體的空間分布[13]。

(1)

式(1)中，L(r)是L函數(shù)，K(r)是表示K函數(shù)的估計(jì)值，p是π，r是表示兩點(diǎn)之間的距離。通過L-函數(shù)，計(jì)算樣地中所有優(yōu)勢樹種的空間分布格局。根據(jù)隨距離增加，物種的空間分布格局圖，共在樣地中選擇20個(gè)目標(biāo)樹種(表1)，進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析。為了數(shù)據(jù)具有可比性性，共選擇10種非聚集型空間分布和10種聚集型分布的樹種。

表1 本研究目標(biāo)樹種信息

2.3 功能性狀的采集和測量

本研究共選擇7類功能性狀來代表樹種的防御策略，其中包括6類物理防御性狀和樹種所有次生代謝產(chǎn)物所代表的化學(xué)防御性狀(表2)。在樹種的生長季節(jié)(7～8月份)，對每個(gè)目標(biāo)樹種，隨機(jī)選擇5個(gè)個(gè)體，每個(gè)個(gè)體在樹冠外圍隨機(jī)選擇5～10片葉片，采集和測量相關(guān)功能性狀。

物理防御性狀包括葉片厚度、葉片硬度、葉片毛狀物密度、葉片纖維素含量、葉片木質(zhì)素含量和葉片硅含量。通過游標(biāo)卡尺測量新鮮葉片的厚度[14]，利用推拉力計(jì)通過打孔試驗(yàn)測量葉片的硬度[15]。通過ImageJ圖像軟件和電子顯微鏡計(jì)算葉片的毛狀物密度[16]。風(fēng)干葉片樣品送入中科院西雙版納熱帶植物園地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室測定葉片硅含量、木質(zhì)素含量和纖維素含量[17]。

化學(xué)防御性狀使用葉片總次生代謝產(chǎn)物表示。通過非靶向代謝組學(xué)的方法獲得每個(gè)目標(biāo)樹種的次生代謝分子網(wǎng)絡(luò)。通過超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(UHPLC-MS/MS；Agilent 1260 UPLC/Q-TOF，美國)提取次級代謝物樣品，在全球天然產(chǎn)物(GNPS)分子網(wǎng)絡(luò)代謝組學(xué)網(wǎng)站[18]對超高效液相色譜-質(zhì)譜/質(zhì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。基于Sedio等人[19]開發(fā)的計(jì)算流程，計(jì)算20個(gè)樹種的每對樹種的化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成的相似性矩陣。

本研究使用多變量方差分析(MANOVA)評估物理防御和化學(xué)防御性狀在非聚集樹種和聚集樹種間的表達(dá)差異。所有的數(shù)據(jù)分析均在R4.1.1版本中進(jìn)行[20]。

3 結(jié)果與分析

3.1 非聚集型和聚集型樹種之間物理防御性狀的差異

總體而言，聚集型目標(biāo)樹種的物理防御性狀大于非聚集型樹種，但是這二者之間沒有顯著性差異(圖1)。對于每一類物理防御性狀而言，葉片的毛狀物密度在非聚集型樹種和聚集型樹種中具有顯著性的差異(表2)，非聚集型樹種的毛狀物密度平均值為59.22個(gè)/cm3，聚集性樹種的毛狀物密度平均值為90.30個(gè)/cm3，非聚集性樹種的毛狀物密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聚集型樹種。其它5類物理防御性狀，包括葉片厚度、葉片硬度、葉片硅含量、葉片木質(zhì)素含量和纖維素含量在非聚集型和聚集型樹種之間均無顯著性差異(表2)。

表2 目標(biāo)樹種物理防御性狀

3.2 非聚集型和聚集型樹種之間化學(xué)防御性狀的差異

樹種的化學(xué)防御性狀通過樹種次生代謝產(chǎn)物表示。樹種次生代謝分子網(wǎng)絡(luò)包含了20種目標(biāo)樹種的次生代謝產(chǎn)物質(zhì)譜數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過GNPS網(wǎng)站進(jìn)行分析處理，并與質(zhì)譜庫進(jìn)行比對鑒定，發(fā)現(xiàn)20種目標(biāo)樹種中總共含有5403種化合物，比對鑒定出1733種化合物，占總化合物的32.07%。所有鑒定出的化合物可以分成八大類，分別為生物堿、黃酮、酚酸、苯丙素類、醌類、類固醇類、單寧類和萜類(圖2)。總體而言，非聚集型目標(biāo)樹種和聚集型目標(biāo)樹種的化學(xué)防御性狀具有顯著性差異(圖3)，且聚集型樹種的化學(xué)防御能力高于非聚集型樹種。

圖1 非聚集型樹種和聚集型樹種葉片物理防御的差異

分子網(wǎng)絡(luò)圖中節(jié)點(diǎn)不同的顏色代表了不同類型的化合物，且節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的連接代表兩個(gè)化合物結(jié)構(gòu)組成較為相似

4 討論

本研究的目的是探討熱帶森林中不同空間分布的樹種是否具有不同的防御策略。研究的結(jié)果支持非聚集和聚集樹種表現(xiàn)出不同防御特征的假設(shè)。結(jié)果表明，聚集分布的樹種通過更強(qiáng)的物理和化學(xué)防御策略抵消了負(fù)密度制約效應(yīng)的影響，使得高密度的樹種能夠在森林中共存。

樹種的防御策略取決于每個(gè)樹種的專一性或者廣食性食草動物等自然天敵的壓力。研究結(jié)果和預(yù)期的一致，首先發(fā)現(xiàn)不同空間分布的樹種具有顯著的防御表達(dá)上的差異，特別是在化學(xué)防御方面(圖3)。但是，和預(yù)期不一致的是，聚集型樹種的物理防御能力雖然高于非聚集型樹種，但是這兩類空間分布的樹種在物理防御性狀方面并沒有顯著性的差異(圖1)。這個(gè)結(jié)果可能是將所有物理防御性狀統(tǒng)一考慮所造成的(表2)。

圖3 非聚集型樹種和聚集型樹種葉片化學(xué)防御的差異

將物理防御性狀分開來看，聚集型樹種的葉片毛狀物密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非聚集型樹種(表2)。毛狀物在植物葉片防御的許多方面起著必不可少的作用，毛狀物的密度通過機(jī)械地干擾食草動物的運(yùn)動，會影響食草動物對葉片的啃食[21]，甚至有些毛狀物的尖端帶有一定的分泌物，可以影響食草動物的取食。植物通過發(fā)展新葉，增加毛狀物密度來抵抗成年葉甲的植食[22]。聚集型樹種的毛狀物密度遠(yuǎn)高于非聚集性樹種，說明聚集樹種通過這種物理防御的方式，來阻止自然天敵的侵害，同時(shí)在此生態(tài)位上和非聚集型樹種分開。這也是聚集型樹種得以共存的原因之一。盡管葉片的厚度、韌性、葉片的硅含量以及木質(zhì)素和纖維素的含量決定了葉片的物理強(qiáng)度，并在葉片的分解方面起著關(guān)鍵作用，從而保護(hù)葉片免受食草動物的攝食，降低采食率[15, 23, 24]。但是，這幾類物種防御性狀在非聚集型和聚集型的樹種中沒有顯著性差異，筆者的研究與美洲熱帶森林的研究結(jié)果一致[10]，說明熱帶森林群落中，聚集型樹種和非聚集型樹種沒有通過這幾類方式來逃避自然天敵。

植物作為固著生物，在受到蝸牛、昆蟲或脊椎食草動物的攻擊時(shí)不能逃跑，在受到細(xì)菌、真菌或病毒的挑戰(zhàn)時(shí)也不能依靠免疫系統(tǒng)。但是，在熱帶森林群落中，非聚集性樹種和聚集型樹種的化學(xué)防御能力具有顯著的差異。聚集型樹種的化學(xué)防御能力顯著高于非聚集型樹種。說明樹種選擇通過化學(xué)防御的方式來抵御自然天敵。次生代謝產(chǎn)物是植物防御措施中的關(guān)鍵，存在于所有高等植物中[25, 26]。在次生代謝物中，酚類含量是最常見的防御性化合物之一，它在對抗食草動物和昆蟲方面發(fā)揮著重要作用[27]。同樣，單寧酸對進(jìn)食的昆蟲產(chǎn)生強(qiáng)烈的有害作用，并通過與蛋白質(zhì)結(jié)合、降低營養(yǎng)吸收效率，造成植食性昆蟲腸病變從而影響其生長和發(fā)育[28]。酚類和單寧對各種食草動物和病原體具有毒性[21, 27, 28]。因此，聚集型樹種生存的一個(gè)潛在機(jī)制可能是，通過比非聚集型樹種更高的化學(xué)防御機(jī)制，來允許樹種通過化學(xué)物質(zhì)的差異對抗密度制約的負(fù)面影響[10]。研究結(jié)果同時(shí)也支持最佳防御假說，該假說預(yù)測，食草動物的選擇會導(dǎo)致植物高水平的防御[29]。筆者觀察到，通過聚集的空間分布，樹種會遇到更多的自然天敵，因此植物增強(qiáng)其化學(xué)防御能力，通過直接或間接影響食草動物的生物學(xué)特性進(jìn)行防御，比如產(chǎn)生有毒的化學(xué)物質(zhì)，如萜類、生物堿或酚類，殺死或延緩食草動物取食[21, 30]。例如，當(dāng)植物面對鉆心蟲害時(shí)，水稻植物中的酚酸水平會增加[31]，通過化學(xué)防御對實(shí)際取食行為變化的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)葡糖酸鹽是對食草動物的最佳防御[32]。此外，植物還可能使用多種策略來防御不同類型的食草動物[33]。這些證據(jù)均支持研究結(jié)果，聚集的物種特別容易受到食草動物的攻擊，因此其具有更強(qiáng)的化學(xué)防御能力[10, 34～36]。