基于谱系信号的宝天曼省级保护植物物种维持机制研究

闫满玉 姚 松 白兵勇

摘要：  亲缘关系相近的物种在形态特征等方面具有更多的相似性，谱系信号分析对生态位保守、物种共存机制方面的研究具有重要意义。本文选用可计算双变量性状的D值法和EM-mantel方法，计算宝天曼保护区内省级重点保护被子植物不同生活型的谱系信号。结果显示：乔木型具有强烈的谱系信号，灌木和草本型两种方法的计算结果具有一定的差异;分析表明：乔木型的主要致危机制是生境过滤，而灌木和草本型的主要致危机制为人为干扰;最后，对保护区植物保护工作提出建议。

关键词：  保护植物;  谱系信号;  物种共存;  宝天曼自然保护区

中图分类号：   S 759. 9               文献标识码：   A                文章编号：1001 - 9499（2020）02 - 0026 - 06

物种在生物学和其他统计单元（statistic units）上都不是独立的，而是具有相似的进化历史[ 1 ]。亲缘关系近的物种，在形态特征、生理性状、行为特征等方面具有更多的相似性[ 2 ]。谱系信息主要反映生物进化过程中的分化时间差异，同样的分化时间，相近的物种具有较近的亲缘关系，分化时间相异的物种亲缘关系较远[ 3 ]。研究表明，物种灭绝不是随机的，而是在分类学和谱系学上呈现出一定的聚集效应，亲缘关系近的物种灭绝风险相似[ 4 - 5 ]。

研究物种间谱系和性状间的关系（也就是谱系信号 Phylogenetic Signal）对认识谱系生态位保守具有重要意义[ 6 - 8 ]，有助于提高群落物种共存机制方面的认识[ 9 - 11 ]。近年来有关谱系信号检验的研究层出不穷[ 12 - 15 ]，截至到目前，主要有以下5种方法：1）Pagel，s λ法，利用布朗进化模型检验谱系信号的早期方法[ 16 ];2）K值法，是以布朗运动为进化模型的系统发育信号的检验方法，目前该方法最为常用，但仅能分析连续变量性状[ 17 ];3） PVR法，该方法利用特征向量进行谱系信号检验，能较好的解释布郎运动模型在进化速率方面的偏差[ 18 ];4） D值法，该方法最先应用在动物双变量性状谱系信号检测，但一次仅能处理一个性状[ 19 ];5）EM-mantel检验法，结合进化模型的mantel检验法，可以处理多种性状类型[ 1 ]。前3种方法在以往的研究中使用较多，但是仅仅适用于连续变量性状，并且一次仅能计算一个性状。鉴于上述因素限制，Fritz和Purvis于2010年提出了一种可以计算双变量和连续变量性状的谱系信号方法，该方法广泛应用在生态学和动物学领域[ 20 - 21 ]，但是D值法同样存在一次仅能计算一个性状的劣势。最近Vanderlei和 Leandro提出了一种结合进化模型的谱系信号矩阵相关检验方法（EM-mantel test），该方法不仅能够处理连续型变量性状，还能够计算双变量型性状，同时还具备一次分析多个性状的优势[ 1 ]。

宝天曼自然保护区地处暖温带和北亚热带交汇区，野生动植物资源丰富，具有重要的经济、社会和科研价值[ 22 - 23 ]。以往该区的珍稀濒危植物的研究主要关注物种科属分布、区系组分、生态分布、生长特点、生活型[ 23 - 25 ];与相邻保护区的对比研究分析[ 26 ]、保育恢复措施[ 27 ]等，尚未有从进化的角度进行深层次的研究探讨。因此，本研究结合2005年河南省人民政府颁布的《河南省重点保护植物名录》[ 28 ]和本区已有研究结果[ 21 ， 29 - 30 ]，比对筛选得到宝天曼保护区省级重点保护被子植物名录，利用Phylomatic软件[ 31 ]建立带有支长的谱系树;以植物生活型为检验性状（双变量性状），选用能够计算双变量性状谱系信号的D值法和EM-mantel法，检验不同生活型的省级重点保护植物是否存在谱系信号及强度;探讨珍稀濒危植物可能存在的维持机制，为保护区今后开展重点保护植物保育工作提供科学依据。

1 方 法

1. 1 研究区概况

宝天曼国家级自然保护区（33.34°～33.60°N，111.78°～112.06° E）位于河南省西南部內乡县境内，山势呈东南——西北走向，总面积5 412 hm2，最高峰海拔1 830 m。保护区地处南暖温带向北亚热带过渡区域，是我国同纬度中森林生态系统保存较为完整、物种最丰富的地区之一。该区属大陆性季风气候，四季分明，年均温度15.2 ℃，年降雨量885.6 mm，年蒸发量991.6 mm，相对湿度68%，极端最高温41.2 ℃，极端最低温-14.8℃。植被区划属于暖温带落叶阔叶林地带，垂直分布比较明显[ 22 ， 32 ]。宝天曼古老的地质和复杂的地形，为植物的生存繁衍提供了得天独厚的环境条件，共有种子植物150科783属2 147种（含种以下等级）[ 23 ]。

1. 2 谱系树构建

首先根据2005年河南省人民政府颁布的《河南省重点保护植物名录》[ 28 ]、省级重点保护植物名校正[ 23 ]和本保护区相关研究 [ 29 - 30 ]，比对筛选得到宝天曼保护区省级重点保护被子植物64种;其次利用被子植物分类系统III（APG III）[ 33 ]校正物种的科属信息;最后，将物种学名以及相关科属信息输入到网页版Phylomatic V3软件[ 31 ]，利用其数据库zanne2014构建带有分支长度的谱系树（图1）。

1. 3 谱系信号检测

本研究生活型性状数据属性为双变量（用1和0表示，1表示具有某种性状，0表示无此种性状），综合考量上述5种谱系信号检测方法，选用能够计算双变量性状谱系信号的D值法和EM-mantel法。

1. 3. 1 D 值法

D值法是通过比较谱系树所有姊妹分支差异之和的大小来反映是否存在谱系信号及其强度，性状聚集的姊妹分支差异之和较小，性状随机的姊妹分支的差异之和较大。公式为：

其中dobs为姊妹分支长度的真实差异，db是模拟布朗运动[ 19 ， 34 ]情况下的姊妹分支长度的差异，dr表示模拟随机情况下的姊妹分支长度的差异。如果D=1，说明性状随机分布，没有谱系信号;如果D=0，说明性状聚集，具有谱系信号;如果D<0，说明性状高度聚集，谱系信号强烈。

1. 3. 2 EM-mantel 方法

传统上多性状谱系信号检测广泛采用矩阵相关性检验（mantel test）[ 7 ， 35 - 36 ]，但矩阵相关性检验的零假设是两矩阵间差异为零，而物种却有相似的进化历程[ 1 ]，因此该方法存在解释率较低和Ⅰ类错误（TypeⅠerror）率较高的弊端[ 37 ]。结合进化模型的矩阵相关性检验（EM-mantel test）之所以能够解决传统方法存在的诸多问题，是由于EM-mantel方法的零假设是在某一特定的进化模型下，谱系距离矩阵和性状相似性矩阵两者间不存在差异。布朗运动模型在解释性状进化、内禀性状值等方面不存在其他假设机制[ 1 ]，同时D方法选用布朗进化模型，为便于两种方法间的比较分析，EM-  mantel法选用布朗进化模型。

EM-mamtel法首先根据布朗进化模型生成模拟矩阵，其次利用传统矩阵相关性检验方法分析布朗进化模型矩阵和真实矩阵间是否存在差异，最后根据p值确定是否有谱系信号及其强度。计算步骤简述如下：1）以谱系树数据为依据生成布朗进化模型下的性状值（用1和0表示，1表示具有某种性状，0表示无此种性状）;2）根据谱系树支长数据模拟性状分布;3）利用传统矩阵相关性检验方法计算真实矩阵和模拟矩阵两者的差异;4）重复上述计算多次，最后得到双尾型p值。该方法的详细介绍见Vanderlei和 Leandro的文章[ 1 ]。

本研究所有计算均由R 3.4.0软件（https：//cran.r-pro-ject.org/）实现，其中物种APG III分类系统科属校正使用plantlist软件包，D值法使用caper软件包，EM-mantel法使用EM.mantel函数 [ 1 ]，两种方法均模拟999次。

2 結 果

2. 1 宝天曼保护区省级重点保护被子植物名录

通过比较筛选该区省级重点保护被子植物共64种（表1）。其中，乔木34种，占53.13%，如杈叶槭（Acer  robustum ）、米心水青冈（Fagus  engleriana）、紫茎（Stewartia sinensis）等;灌木9种，占14.06%，如蝟实（Kolkwitzia  amabilis）、河南杜鹃（Rhododendron  henanense）、玉铃花（Styrax  obassis）等;草本20种，占33.33%，如多花兰（Cymbidium  floribundum）、绞股蓝（Gynostemma  pentaphyllum）、延龄草（Trillium  tschonoskii）等;藤本仅黑蕊猕猴桃（Actinidia  melanandra）1种。科属隶属关系，兰科10种，占15.63%;樟科8种占12.50%;毛茛科和槭树科各4种，各占6.25%;其他22科共占65.62%。区系组成分析，北温带分布19种，占29.69%;东亚——北美洲际间断分布和中国特有分布均为7种，共占21.08%;热带亚洲类型分布共18种，共占27.54%;其他4种类型共13种，共占21.69%。

2. 2 省级重点保护被子植物不同生活型谱系信号分析

区内省级重点保护藤本植物仅黑蕊猕猴桃1种，无法计算此生活型的谱系信号，故本研究仅选取乔木、灌木和草本3种生活型（表2）。由此可知：两种方法的计算结果存在一定差异： D值法3种生活型（乔木、灌木和草本）均谱系信号显著，其D值分别为-1.07、-0.22和-1.34;而EM-mantel法仅乔木类型谱系信号显著（p=0.001），其他两种生活型谱系信号不显著。

3 分析与讨论

3. 1 两种方法计算结果差异分析

本研究选取能够计算双变量性状谱系信号的两种方法，计算结果显示灌木和草本两种生活型存在差异：D值法计算结果显示两种生活型谱系信号均显著，而EM-mantel法结果显示谱系信号不显著。Hardy 和Pavoine研究表明，Mantel检验结果与物种的功能性状矩阵和谱系距离矩阵相关[ 38 ]，本研究中草本共20种隶属9科17属，其中50%为兰科植物，而乔木生活型共34种隶属15科26属，樟科占比最高（仅占23.53%），因此两者性状矩阵的差异导致EM-mantle法计算结果不显著。另外，本研究为方便比较分析，EM-mantel法选用布朗运进化模型，然而该方法尚有其他复杂模型，如Ornstein Uhlenbeck 模型[ 39 ]、Burst模型[ 40 ]等，模型选择差异可能对计算结果产生一定的影响。此外，物种库太大或太小均可影响生态过程的解释能力，谱系分析中物种占区域物种库30%～60%均在可接受范围[ 43 ]，本研究中灌木仅有9种（占物种库14.06%），也可能对谱系分析结果造成一定的影响。

3. 2 省级重点保护植物致危机制探讨

物种固然有自然消亡的现象，自然选择的结果使地球上众多物种淘汰，但是这种消亡过程是极其缓慢的。本研究区珍稀濒危植物数量稀少，分布区域狭窄，一些种类正处于濒危状态，究其原因有历史、人为和植物自身等多方面原因[ 23 ]。古植物学研究表明，我国有过多次植物群的南北进退，特别是在第四纪冰川袭击，而本区正处于迁移的中间地带[ 22 ]，一些珍稀植物在局部优越的生境下得以生存和繁衍。本区重点保护植物主要分布于封闭山谷，避风坡林地、沟壑杂木林及其林下、灌丛和林缘山坡等，除水曲柳、领春木、青檀和金钱槭等种类有散生小片群落分布外，绝大部分为零星植株分布，如银鹊树16株、水青树和天竺桂等不超过10株[ 22 ]。因此生境过滤是乔木生活型省级重点保护植物的主要维持机制。

本研究中，喬木生活型在两种方法下均表现出强烈的谱系信号，这也证明了如果呈现出强烈的谱系聚集格局，那么性状在决定物种灭绝风险之中就起着直接或间接的作用，也就是说生境过滤是其主要维持机制这一研究结论的正确性。绝大部分灌木和草本为传统药用或观赏植物，比如紫斑牡丹、延龄草、大叶三七、天麻等，另外草本类型中仅兰科占15.63%，因此人为干扰因素占主要作用。同时EM-mantle法的计算结果显示，这两种生活型谱系信号不显著，因此人为因素干扰是灌木和草本生活型重点保护植物的主要致危因子。研究结果也在一定层面上证实了：如果谱系呈现随机的分布格局，那么性状不是导致物种灭绝的限制因子，也就是说生态位理论为其主要维持机制的正确性。

综上，本区乔木生活型重点保护植物的主要致危因子为生境过滤，而灌木和草本生活型的主要致危因子是人为干扰。

3. 3 宝天曼保护区重点保护植物保护措施

自然生态环境是植物生存繁衍的基础，特定的生态环境和植物之间构成了相互依存的群落关系，一旦立地生境遭到破坏，重点保护植物将面临灭顶之灾。为了更好地保护和发展本区重点保护植物资源，根据该研究分析结果和以往研究[ 26 ]，提出针对不同生活型采取分类保护的措施，即对森林生态系统的优势种——乔木型重点保护植物，应该重点保护其立地生境。对灌木和草本型植物来说，人为因素干扰是其重要致危因子，其保护措施应重点着眼于减少人为干扰。

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第1作者簡介：  闫满玉（1988-），  男，  硕士，  研究方向为植被生态学。

通讯作者：  齐 光（1983-），  男，  博士，  副教授，  研究方向为植被生态学。

收稿日期： 2020 - 01 - 20

（责任编辑：   李 丹）

Abstract Species closely related to be more similar to each other than to more distantly related ones， the calculation of phylogenetic signal play a important role in phylogenetic conservatism and species assembly patterns. Based on D and EM-mantel that could estimate phylogenetic signal for binary traits， we estimated the phylogenetic signal of the key preserved angiosperm's different life forms in Baotianman Nature Reserve， Henan Province. Our results showed that the arbor has significant phylogenetic signal（p=0.001）， while the values of shrub and herbaceous were very different in terms of D and EM-mantle. Our results supported the extinction risk of arbor was dominated by habitat filtering， and those of shrub and herbaceous were human disturbance.

Key words Endangered plants;  Phylogenetic signal;  Species coexistence;  Baotianman Nature Reserve （BNR）