安徽大龙山国家森林公园东亚小金发藓配子体与孢子体个体性状及其相互关系

邱 东 张 静 吴 楠,3 陶 冶*

(1.安庆师范大学生命科学学院,皖西南生物多样性研究与生态保护安徽省重点实验室,安庆 246133； 2.中国科学院新疆生态与地理研究所,干旱区生物地理与生物资源重点实验室,乌鲁木齐 830011； 3.鲁东大学资源与环境工程学院,烟台 264025)

植物功能性状或属性(functional traits)是指对植物体定植、存活、生长和死亡存在潜在影响的一系列核心植物属性，包括形态(如叶片大小)、生理(如光合呼吸)、物候等方面，是植物对生长环境响应和适应的综合反映[1～3]。植物功能性状对群落和生态系统功能(如碳汇、养分循环)具有关键影响[3～4]。近10年来，国内外对植物功能性状的研究已涉及多个层次，从个体到生态系统水平，并延伸到生态学研究的各个领域[1～5]。功能性状之间存在一定的权衡关系，它是对环境变化适应进化的结果[5～6]。植物通过调节和改变自身的某些功能性状以及通过各功能性状间的调节协变(即整合)来适应环境的变化，并形成了不同的生长、繁殖、防御等生存策略和最佳功能组合[7～9]。如植物叶片性状间、叶片与枝条及树干性状间、繁殖性状与数量间、繁殖性状与幼苗叶片间、叶片与根性状间的权衡[1]。因此，植物功能性状及其权衡关系能够客观表达植物对外部环境的适应性，是预测和解释若干重要生态学问题的关键手段[4,10]。但当前植物功能性状研究主要针对种子植物尤其是被子植物[11]，对非维管高等植物(即苔藓植物)功能性状及其相互关系的研究极为缺乏。

苔藓植物是高等植物中除被子植物之外的第二大类群，全球大约有23 000种，它们是生物多样性和陆地生态系统的重要组成部分[12～13]。苔藓植物是水生到陆生的过度类群，其个体矮小，缺乏维管结构，但其在生态系统碳循环、养分循环、水源涵养及水土保持等方面均发挥重要作用[14]。在森林生态系统中，尽管苔藓植物的生物量微不足道，但苔藓植物常以广泛的盖度在生态系统中占据重要地位[15]，成为森林生态系统主要的生产者之一。苔藓植物对环境变化响应敏感，因此被作为研究环境变化响应与适应的良好模式植物[13～16]。由于个体较小，在涉及到苔藓植物性状的研究方面，多侧重基于形态性状的分类学(即简单的形态性状描述)[17～18]以及基于群体的生理性状(如光合作用效率、叶绿素含量等)[19～20]及其权衡(如抗胁迫性与光合生理的权衡)[7,21～22]，鲜有涉及苔藓植物个体功能性状间的相互关系，且对苔藓植物功能性状是否具有与维管植物相似的协变关系也缺乏足够了解。

为此，本研究选择东亚小金发藓(Pogonatuminflexum)开展苔藓植物功能性状变异及协变研究。东亚小金发藓为金发藓科小金发藓属植物，是东亚地区特有种，我国广布，多成片生于温暖湿润的林地和路边阴坡；该种为内导水型，植物个体较大，雌雄异株，茎单一直立，稀分枝[23～24]；因此，该种是进行苔藓植物功能性状研究及与种子植物对比研究的良好材料。本研究在东亚小金发藓雌株孢子体成熟期采集测定地上部分孢子体和配子体的形态性状及生物量(即易测性状)，采用多种方法综合分析其性状变异特征、主要性状间的异速生长关系及其协变特征。研究结果将为深入理解苔藓植物的功能性状权衡及生态适应策略提供科学依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于安徽省安庆市大龙山国家森林公园(116.994°～117.087°E，30.624°～30.692°N)，面积为40.18 km2。该地区属于北亚热带湿润季风气候，四季分明，气候温和，雨量充沛；年均太阳辐射总量为407～491 kJ·cm-2·a-1，年平均相对湿度77%，年平均气温14.5～16.6℃，≥10℃的积温在5200℃左右；年平均降水量在1 300～1 500 mm，主要集中在4～8月，占年降水总量的70%以上；常年主导风向为东北风，占全年风向的52%，其次为西南风；霜少雪稀，无霜期250 d左右，年日照时数2 012 h[25]。该地区地处北亚热带向中亚热的过渡地带，因此气候、植被和土壤具有明显的南北过渡特点。大龙山国家森林公园植被以马尾松(Pinusmassoniana)林和杂阔林为主，土壤以红壤、黄壤和黄棕壤等类型为主。调查发现，东亚小金发藓多成片分布在林下湿土和路边土坡。

1.2 研究方法

1.2.1 苔藓植物样品采集

经野外实地踏查，调查样地设在大龙山森林公园山麓西侧路边100 m范围内。东亚小金发藓沿着路边土坡分布，土坡高约0.5 m，坡度较大，不连续，坡顶生有杂草和小灌木。样品采集时间需在雨后苔藓完全水合期，以保持苔藓植物自然生活状态。2017年10月6日，东亚小金发藓孢子体成熟且孢子未散落时，在调查样带选取5个生境相似的调查点，每个点采集2个苔藓斑块，每个斑块大小均为10 cm×10 cm。采集东亚小金发藓斑块时，用取样铲划定取样范围并切割至3 cm深度，然后用取样铲在土层下3 cm深处将整个斑块铲起，放入采集箱内带回实验室待处理。

1.2.2 苔藓样品室内分析方法

将采集到的东亚小金发藓带回实验室后，立即放入光照培养箱内保藏，相对湿度控制在80%，并及时给苔藓斑块补充水分。为避免苔藓植株出现脱水现象，实验需在2 d内完成。首先测定每个斑块的苔藓植株密度，随后用手术剪贴土表将植株剪下，每个斑块共采集15～20株孢子体成熟度相同的苔藓地上部分，5个样点共采集测量了170株苔藓。形态参数在东亚小金发藓完全水合的状态下测定，随测随取。所测指标包括孢子体部分：孢蒴长度(Capsule length,CL,mm)、蒴柄长度(Seta length,SEL,mm)、孢子体总长度(Sporophyte length,SPL,mm)、孢蒴直径(Capsule diameter,CD,mm)、蒴柄直径(Seta diameter,SD,mm)及孢子体生物量(Sporophyte dry mass,SDM,mg)；配子体部分：配子体长度(Gametophyte length,GL,mm)、配子体基径(Base diameter of gametophyte,BD,mm)及配子体生物量(Gametophyte dry mass,GDM,mg)。

测量时，将蒴柄在基足处剪下，即可将苔藓植株分为孢子体部分和配子体部分。配子体长度及基径用数显游标卡尺直接测量。由于孢子体部分较小，需要将其放在坐标纸上，上覆透明薄玻璃板(避免覆盖孢蒴)，使用高清数码相机拍照后在电脑中用相应软件测定。拍照时，需将数码相机固定在物体30 cm高处，光学放大到合适倍率后用微距拍照，以保证物体尽可能小的畸变(所有照片保证镜头与物体距离及放大倍率一致)。随后在电脑中使用Adobe Acrobat软件，基于坐标纸比例尺大小，测量并计算孢蒴长度、孢蒴直径、蒴柄长度及蒴柄直径。将拍完照的苔藓样品每株单独包在白纸内，标上序号，放入70℃烘箱内烘24 h。取出后将孢子体和配子体分别称重记录。

通过构建统一的三维数据模型，各设计过程中的相关信息和参数可以通过属性方式保存在三维模型之中，进而促进数据的高效利用，实现配置目标。

上述数据获取后，还需计算孢子体与配子体长度比(Sporophyte to gametophyte length ratio,S2GL)、孢子体与配子体生物量比(Sporophyte to gametophyte dry mass ratio,S2GM)及孢子体生物量百分比(Sporophyte to total dry mass ratio,S2TM,%)。

1.2.3 统计分析方法

首先对170株东亚小金发藓性状参数进行频度分析，然后进行描述统计分析；为研究这些性状之间的关系，首先采用Pearson相关性分析，随后有针对性地对东亚小金发藓形态与生物量分配之间的内在关联进行进一步分析，所采用方法基于异速生长理论。

异速生长关系可以表示为：

Y=β·Xα

(1)

式中：Y是某种生物学特征或者功能；β是标准化常数，X是个体大小；α是异速生长指数。

α=1为等速关系，α≠1为异速关系。实际计算时常将幂函数转换为logY=logβ+α·logX的形式，利用降主轴回归(reduced major axis regression,RMA,即Model Type Ⅱ)回归方法计算回归模型的指数、95%置信区间(95% CI)及决定系数(R2)[26]。对数化之后的α即为幂函数对数化之后线性回归的斜率，logβ为线性回归的截距。

对所有地上性状进行主成分分析(PCA)，以判别性状的协变方向及相互关系[9,27～28]。若多个性状在第一主成分或第二主成分特征向量中的特征值大于0.5且符号相同，则说明这些性状的协变性较大[27～28]。

2 结果与分析

2.1 东亚小金发藓孢子体和配子体个体性状特征

频度分析表明(图1)，东亚小金发藓植株仅蒴柄长度(SEL)、孢子体长度(SPL)、孢蒴直径(CD)、配子体基径(BD)及孢子体质量比(S2TM)等5个指标呈正态分布，其余大部分植株性状均呈非正态分布。非正态分布的指标需要进行数据转换(如对数化、开方等)以符合正态分布后才能进行进一步分析使用。

图1 东亚小金发藓植株性状的频数分布 CL.孢蒴长度；SEL.蒴柄长度；SPL.孢子体长度；CD.孢蒴直径；SD.蒴柄直径；GL.配子体长度；BD.配子体基径；SDM.孢子体生物量(干重)；GDM.配子体生物量(干重)；S2GM.孢子体与配子体质量比；S2GL.孢子体与配子体长度比；S2TM.孢子体质量比Fig.1 Frequency of plant traits of P.inflexum CL.Capsule length; SEL.Seta length; SPL.Sporophyte length; CD.Capsule diameter; SD.Seta diameter; GL.Gametophyte length; BD.Base diameter of gametophyte; SDM.Sporophyte dry matter; GDM.Gametophyte dry matter; S2GM.Sporophyte to gametophyte dry matter ratio; S2GL.Sporophyte to gametophyte length ratio; S2TM.Sporophyte to total dry matter ratio

表1 东亚小金发藓植株性状的描述统计特征

描述统计分析表明(表1)，东亚小金发藓孢蒴长度(CL)在4.01～8.39 mm，平均值为6.68 mm；孢蒴直径(CD)在0.531～1.770 mm，平均值为1.19 mm。蒴柄长度(SEL)在12.17～41.81 mm，平均值为29.73 mm；蒴柄直径(SD)最小值仅0.120 mm，最大达到0.508 mm，平均值为0.251 mm。整个孢子体总长度(SPL)在19.04～49.10 mm，平均值为36.41 mm。5个孢子体形态性状中蒴柄直径的变异系数最大(达到0.312)，而其他4个性状变异系数均在0.2以下，属于弱变异，其中孢蒴长度具有最小的变异系数(0.097)。这表明，东亚小金发藓孢子体形态性状具有较高的稳定性。

东亚小金发藓配子体高度(GL)在7.11～35.80 mm，平均值为20.65 mm，其变异系数达到0.306(表1)。配子体茎基部直径(BD)变化范围在0.615～1.863 mm，平均值为1.124 mm，变异系数为0.244。相比于孢子体形态性状而言，配子体2个形态性状变异更大，性状较不稳定。东亚小金发藓孢子体生物量(SDM)最小值仅为0.8 mg，最高达到5.5 mg，平均值为1.98 mg；配子体生物量(GDM)在2.4～16.1 mg，平均值为6.76 mg，地上部分总生物量达到8.74 mg(表1)。孢子体和配子体生物量变异系数均高于形态性状，表明二者均具有较大的可塑性。孢子体与配子体重量比(S2GM)平均值为0.312，即孢子体重量占地上部分总重量(S2TM)的23.13%，而配子体则占76.87%。在整株高度上，孢子体要高于配子体，前者是后者的近2倍(1.95倍)，即孢子体约占整株高度的2/3。东亚小金发藓10个斑块植株密度为3.3～4.7株cm-2，平均值为4株cm-2，变异系数为0.12。

2.2 东亚小金发藓孢子体和配子体性状间的相关性

5个孢子体形态性状中，孢蒴长度、蒴柄长度和孢子体长度之间均为显著正相关(表2)；此外，孢蒴长度与孢蒴直径，孢蒴直径与蒴柄直径之间也呈显著正相关，而其他指标间相关性不显著。2个配子体形态指标，即配子体长度和基径间也具有极显著正相关。在孢子体和配子体形态性状间，仅孢蒴长度与配子体长度、蒴柄直径与配子体基径呈显著负相关，其他性状间均无显著关联。孢子体生物量和配子体生物量间具有极显著正相关，且二者生物量分配比例与孢子体生物量的关系(r=0.583)要强于配子体生物量(r=-0.410)，也即在东亚小金发藓孢子体世代，孢子体和配子体生物量分配主要受孢子体的影响。但是，孢子体和配子体高度的比率更多地受配子体高度(r=-0.862)和生物量(r=-0.315)的影响，而孢子体的影响较弱。此外，在形态与生物量之间，蒴柄长度、孢子体长度及配子体长度均与孢子体生物量和配子体生物量呈极显著正相关，且配子体基径与配子体生物量也呈极显著正相关。总体而言，7个形态指标、2生物量指标共9个性状(不含比率)共36个性状对中，有近一半的性状对(共17对)之间具有显著相关性。

2.3 东亚小金发藓孢子体和配子体主要性状间的异速生长关系

对主要性状进行异速生长分析表明，3个孢子体形态性状与孢子体生物量之间、2个配子体形态性状与配子体生物量之间均有极显著的异速生长关系(图2，表3)。蒴柄长度、孢子体长度及孢蒴直径与孢子体生物量间的异速生长指数分别为0.378±0.055、0.307±0.045及0.540±0.080，配子体长度、配子体基径与配子体生物量间的异速生长指数分别为0.936±0.127和0.707±0.104(表3)。等速检验表明，除配子体长度与配子体生物量为等速生长关系外，其余4个均为指数小于1.0的异速生长关系。这表明随配子体生物量增大，配子体等速增高，而其他指标增大的速率小于生物量增大速率。

表2 东亚小金发藓植株性状间的Pearson相关系数

*P<0.05;**P<0.01

图2 双对数坐标下东亚小金发藓植株形态性状与孢子体、配子体生物量间的异速生长关系Fig.2 Log-log plots showing the allometric relationships between morphological traits and biomass of sporophyte and gametophyte of P.inflexum

表3 东亚小金发藓植株性状间的异速生长指数及等速生长检验

图3 东亚小金发藓孢子体生物量分配比例(繁殖分配比例)与配子体生物量之间的关系Fig.3 Relationships between sporophyte biomass ratio(reproductive allocation ratio) and gametophyte biomass of P.inflexum

东亚小金发藓孢子体和配子体生物量之间呈极显著的等速生长关系(图2，表3)，异速生长指数为1.135±0.158，表明在孢子体世代，东亚小金发藓孢子体和配子体具有相同的生物量分配速率。尽管如此，孢子体生物量分配比例(可认为是种子植物的繁殖分配比例)随配子体增大而呈幂函数减小(图3)，即东亚小金发藓繁殖分配具有明显的负的个体大小依赖现象。

图4 基于PCA的东亚小金发藓孢子体和配子体性状整合分析Fig.4 Integrative analysis on traits of sporophyte and gametophyte of P.inflexum based on PCA

2.4 东亚小金发藓孢子体和配子体功能性状的表型整合

PCA分析前两轴分别解释40.7%和32.6%的变异，累积解释量为73.3%(图4)。分析表明，PCA第一主成分中蒴柄长度(SEL)、孢子体总长度(SPL)、孢子体生物量(SDM)、孢子体与配子体生物量比(S2GM)及孢子体生物量分配比例(S2TM)共5个孢子体性状的特征向量均>0.5(表4)，即PCA第一轴主要体现了上述5个孢子体性状的协同变化特征。PCA第二主成分中，配子体长度(GL)、配子体生物量(GDM)及孢子体生物量(SDM)的特征向量>0.5，体现上述3个性状同向协变趋势；而孢子体与配子体长度比(S2GL)特征向量<-0.5，与上述3个性状的协变趋势相反。由此可见，PCA第一轴主要反映孢子体核心性状的同向协变，而PCA第二轴反映配子体2个核心性状即孢子体生物量的同向协变。尽管两轴相互独立，但孢子体生物量是两个不同协变方向性状群的关键点。

表4 东亚小金发藓孢子体和配子体性状PCA分析前两个主成分的特征向量

Table 4 The eigenvectors of first two axes of PCA analysis on traits of sporophyte and gametophyte ofP.inflexum

性状Trait第1主成分PCA 1第2主成分PCA 2CL0.300-0.186SEL0.5890.410SPL0.6140.366CD0.2500.204SD0.0490.016GL-0.1230.835BD-0.1540.445SDM0.6510.558GDM-0.1760.783S2GM0.824-0.165S2GL0.358-0.664S2TM0.833-0.172

3 讨论

苔藓植物由于体型微小，在个体水平上很难进行生理性状的测定，故多以形态性状为主。本研究中，东亚小金发藓孢子体形态性状稳定性较高，而孢子体生物量及配子体各性状变异性相对较大，但总体均在正常变化范围之内[23]。

异速生长关系定量描述了植物生长和资源分配之间的关系，揭示资源分配的大小依赖模式[29]。植物在响应自然选择压力和自身发育限制时进化出了诸多异速生长模式，可以反映出不同的生活史策略。对维管植物形态参数与生物量之间异速生长关系研究表明，除植冠体积外植物形态性状(Y)与地上生物量和地下生物量(X)间基本为指数<1.0的异速生长关系[30～31]。其地上生物量和地下生物量之间多为等速生长关系(幂指数=1.0)，这在树木小枝水平生物量分配上也发现了同样的规律[29]。本研究发现，东亚小金发藓孢子体、配子体主要形态参数与各自生物量间均为指数<1.0的异速生长关系，而其孢子体与配子体生物量间为等速生长关系。由此可见，东亚小金发藓与维管植物功能性状之间具有非常相似的异速生长关系，尤其体现在等速的生物量分配上。这些不同功能性状间异质性的异速生长关系体现了东亚小金发藓不同性状对外在环境和内在发育规律的差异性响应和适应。那么，其他苔藓植物是否具有类似的异速生长关系？这是否又是有茎叶体分化的陆生高等植物共有的特征？目前尚无法判断，有必要进一步深入研究。

繁殖体是植物种群延续和拓展空间的重要载体。植物繁殖体生物量分配比例因种而异，呈现较大差异。就被子植物而言，一次繁殖植物(如草本植物)的繁殖体一般有较高比例(50%甚至更大)，而多次繁殖植物(木本植物)的繁殖投资则相对较小[32～33]。相比而言，苔藓植物属于多年生植物，且具有多次繁殖的能力，那么其繁殖(孢子体)分配比例应不会太高。本研究表明，东亚小金发藓孢子体占地上总生物量的23%，如果算上地下部分，其繁殖分配比例还会更低，这与多年生被子植物较低的繁殖分配相一致。

植物的资源分配往往是一个个体大小依赖的过程，即植物繁殖分配多与个体大小有关，具有个体发育漂变现象[34]，但不同植物(主要指被子植物)所表现的规律不尽相同。如有的草地植物繁殖分配随个体增大而显著下降(即负的个体大小依赖)[35～36]，而一些极端干旱环境下的荒漠短命和类短命植物[30,33]的繁殖分配则随个体增大均显著增大(即正的个体大小依赖)。还有一些植物繁殖分配比例与个体大小间没有明显的相关性，其繁殖分配比例较为稳定[37]。本研究发现，东亚小金发藓孢子体分配比例(对应繁殖分配)与个体大小之间呈指数为负的幂函数关系，即随配子体增大其繁殖分配显著降低；相比之下，配子体生物量分配(即营养器官分配)比例与个体大小呈显著正相关，即营养与繁殖投入此消彼长，这是个体大小依赖下资源权衡分配的体现。东亚小金发藓的繁殖分配规律与非极端环境下一些被子植物的繁殖分配特征极为相似[35～36]。

性状协变是生物由于遗传、功能以及发育过程中性状之间相互作用而协同变化或权衡的现象[9,38]，它可以导致性状间的异速生长，影响植物对环境的功能反应[39]。不同的性状组合可以产生不同的性状协变格局，且不同的环境也可以产生不同的协变格局[40]。对新疆北部山区拟南芥自然种群的研究表明，在不同尺度(小尺度、局域尺度和区域尺度)环境下拟南芥地上(株高、株重)与地下(根重、根长)性状之间、植株生物量(株重、根重)与繁殖输出(单株果数)之间具有维管植物共有的生理功能的权衡特征[9]。对东亚小金发藓而言，其繁殖输出(孢子体)与配子体大小之间的等速生长关系是该苔藓植物功能权衡的最好例证。由基于主成分分析的性状协变格局可知，东亚小金发藓孢子体生物量与配子体生物量间具有相同的协变方向，验证了上述异速生长分析的结论。进一步分析发现，第一主成分中孢子体主要性状间具有一致的协变方向，第二主成分中孢子体生物量、配子体生物量及其高度之间也具有同向协变。但两个主成分中的性状属于不同的性状协变群，而其中共有的孢子体生物量这一性状是这两类性状群进行权衡的关键纽带。

除了如本研究中个体水平某些性状的权衡外，苔藓植物群体水平生理性状间也存在权衡关系。如不同生境、不同生长型苔藓植物养分与光合性状之间[22]，抗胁迫性与生理活性之间[19～20]，且这些权衡关系与维管植物存在较大差异。这些多功能性状的协变和权衡将促使苔藓植物适应和进化出最佳的生存策略。相较而言，关于不同生境类型的东亚小金发藓多功能性状尤其是群体水平生理性状的协变和权衡特征仍不清楚；除此之外，在更微观水平上的个体性状，如叶片大小、形状、细胞密度(大小)、展叶角度、茎结构等性状的协变和权衡也需要开展进一步研究，以便更深入了解其生存策略。

本研究从个体水平探讨了同一生境下东亚小金发藓主要形态、生物量等功能性状的变异和协变特征，发现其形态特征与生物量间、孢子体生物量与配子体生物量间以及繁殖分配与配子体生物量间具有与维管植物相似的异速生长关系。这表明苔藓植物这类矮小的最低等高等植物也具有维管植物器官之间的协变和权衡关系，但这种关系是否具有普遍性尚不可定论，需要开展大量的研究以证实或证伪。此外，还应加强不同生境条件下苔藓群体水平上的生理性状及其相互关系的研究，以更加综合地分析和了解苔藓植物多功能性状权衡机制及其生存策略。