植物生活史进化与繁殖生态学

植物生活史进化与繁殖生态学 张大勇 主编

Plant Life-History Evolution and Reproductive Ecology Edited by Da-Yong Zhang

科学出版社，北京 Science Press, Beijing 2004 书

号 03-012630-0

植物生活史进化与繁殖生态学 内容提要

《植物生活史进化与繁殖生态学》从生存和繁殖两个最基本的适合度组分出发，重点讨论了植物 在生长、维持(存活)和繁殖三个基本生命活动之间的资源分配问题，同时对植物的繁殖过程，如 传粉、植物花的展示和设计、近交衰退、交配系统、花粉散发与接收之间的相互干扰等，也进行 了深入的讨论。《植物生活史进化与繁殖生态学》系统回顾了植物生活史进化和繁殖生态学两大 分支领域内当前的研究热点和发展趋势，而且在介绍基本概念与理论的同时，对研究方法和技术 手段也给予了充分重视。 《植物生活史进化与繁殖生态学》适合于生物、农林、环境科学等专业高年级本科生、研究生 阅读，也可作为植物生态学、进化生物学等相关领域科研人员的参考书。

前

言

在近 20 年里，植物生活史进化和繁殖生态学取得了令人瞩目的进展。这些最 新成果已被生态学主要教科书收入，对某些特定生活史或繁殖生态学问题的专著在 国际上也已有一些，但是一个全面反映植物生活史和繁殖生态学最新进展的著作目 前在国内都还没有见到， 已经翻译过来的《植物种群生物学引论》 （第 4 版；Silvertown 和 Charlesworth 著；高等教育出版社，2003 年）中仅对这些内容进行了简单介绍， 有些重要领域（如植物防御）甚至几乎未提及。 毫无疑问，植物生活史进化与繁殖生态学的内容重叠是很大的，尤其在繁殖分 配、种子大小与数量平衡等与繁殖有关的性状上，但互相之间彼此不能完全涵盖， 而是具有很强的互补性。例如植物的衰老、化学防御等和生存联系在一起的生活史 性状在繁殖生态学中没有涉及，而生活史进化则通常忽略了有性繁殖过程的细节， 基本不考虑传粉过程、植物花的展示和设计、近交衰退、交配系统、性别冲突等命 题。因此我们认为，一本综合反映上述内容的著作是急需的，它能够帮助我们更好 地理解植物性状的进化意义，有利于植物进化生态学研究在我国的迅速兴起。本书 试图填补这个空白。 尽管人们对于植物生活史的兴趣可以追溯到远古时期，生活史理论，就像整个 种群生物学理论一样，主要是在动物学家手中发展起来的。动物种群生物学领先了 植物种群生物学数十年是一个不争的事实，但植物种群生物学的发展肯定不能完全 靠简单地模仿动物种群生物学，因为一个显而易见的事实：植物不是“动”物。由 于固着生长的特性，植物不能主动寻找配偶而必须依赖外界因子（风或昆虫等）才 能实现花粉传递，导致了巨大的繁殖多样性；由于不能通过移动躲避动物伤害，植 物进化产生了多种多样的物理和化学手段抵御天敌；由于不能象动物那样便利地寻 找有利的资源斑块（生境选择），植物发展出了形式多样的克隆生长构型和构件整 合行为。从根本上讲，正是植物固着生长的特点决定了它们为什么需要把雌雄两个 性别的功能结合在一个个体身上甚至一朵花内。即使是异养生物，只要营固着生长， 往往也都是雌雄同体的。 雌雄同体意味着植物可通过两个途径，即花粉或者胚珠（种子），来向下一世 代传递它们的基因。早期的植物学家几乎把注意力全部集中在种子生产上，似乎种 子生产就能代表植物个体的所有繁殖成效，而基本忽略了植物通过花粉（雄性）途 径获得的适合度。即使是考虑花粉散布的传粉生物学也主要以植物雌性繁殖成效为 核心，仿佛植物产生花粉的目的就是为了保证胚珠受精。造成这种状况的部分原因 是由于野外测量工作的难易程度不同：种子计数容易，而决定在这些种子中的雄配 子来源却是极其困难的。近 30 年来，人们开始意识到原先仅从种子生产角度而获

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得的知识可能并不全面甚至是误导的，需要重新解释和重新认识决定植物繁殖性状 进化的选择力量。这种思想认识上的飞跃影响着植物繁殖生物学的各个方面，直接 促成了“新植物繁殖生物学”的诞生。 众所周知，生态学也被称为自然的经济学。微观经济学原理是分析植物生活史 和繁殖性状功能意义的主要理论框架，是适应主义者工作程序中必不可少的组成成 分。在探讨生物进化问题时，只考虑收益却忽略了成本是一个常见的思想误区。 “天 下没有免费的午餐”，任何适应性状的背后都必然有成本存在。我们说某个性状是 适应的，仅仅是指它使生物个体在收益和成本之间获得了最大的差值（净收益，或 称适合度）。所以，如果读者想更好地掌握现代进化生物学和生态学，一些必要的 微观经济学背景知识将是会有很大帮助的。如果你能够吃透微观经济学中的机会成 本、边际值、贴现、纳什平衡等概念，能够自觉、熟练地进行收益－成本（代价） 分析，进化生态学中的许多原理实际上是不言自明的。 有些问题，如资源分配、交配系统等，尤其受益于上个世纪 6-70 年代以后在 经济学中才发展起来的进化博弈论等新理论。除此之外，分子标记和计算机等新技 术的发展也是非常重要的。研究植物的生活史和种群动态往往需要采用映射矩阵模 型，而这又要求我们必须具备一定的计算能力和设备。蛋白质（等位酶）和分子标 记手段（例如 SSR、AFLP、RAPD 等）使生态学家第一次有可能直接测量植物的 雄性适合度。三十七年前，等位酶标记技术的发展大大方便了对植物种群遗传变异 的研究。在今天，等位酶标记仍然是解决诸多问题的有效工具。然而，近年来大量 DNA 分子标记技术的进步可以使我们提出一些以前不可能提出的问题。虽然等位 酶仍然是繁育系统、遗传多样性研究中利用的最广泛技术，但微卫星标记可能会因 其高水平的等位基因变异和共显性表达而有更广阔的前景。 全书 11 章覆盖了植物生活史和繁殖生态学领域内的主要研究内容，既有概念 和理论上的回顾，也有技术和手段的评述。我们希望本书能为有兴趣进入植物进化 生态学领域的人们提供一个最新的入门读物（文献收集一直到 2003 年 10 月），也 希望能对推动我国植物进化生态学领域的发展作出一些微薄的贡献。当然，能否达 到这个目的还有待读者的评判和时间的检验。 作为本书的主编，我要特别感谢各章作者对本书作出的贡献，尤其是陈小勇（第 五章）和钟扬、施苏华、任文伟（第十一章），他们不仅为本书增色，而且弥补了 我个人知识结构的缺陷，使本书更加均衡、全面。袁永明博士百忙之中审阅了第二 章，施苏华教授审阅了第十章；张全国同学和唐亮同学仔细地阅读了本书部分章节 的初稿，并提出了大量的改进意见。最后，我要特别感谢国家自然科学基金委员会 对我的研究工作所给予的连续多年资助，也衷心期待着读者宝贵的批评意见。 张大勇 2003 年 10 月

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目

录

前言 第一章 生活史进化 ………………………………………………………… 张大勇 第一节 表型最优化研究法 第二节 生活史性状之间的权衡关系 第三节 成熟年龄与大小 第四节 繁殖节律、繁殖力与衰老 第五节 种子大小、扩散与休眠 第六节 克隆生长 第七节 生活史对策——生活史性状的综合分析 参考文献 第二章 植物繁殖生态学 …………………………………………………… 张大勇 第一节 无性与有性繁殖 第二节 自交与异交 第三节 性别的合与分 第四节 雄性繁殖适合度 第五节 花部特征与传粉者的相互影响 第六节 生物传粉与被子植物的多样化 第七节 结语 附录：传粉媒介与传粉综合征 参考文献 第三章 克隆植物生态学与进化 ………………………………… 张玉芬、张大勇 第一节 克隆植物生长型 第二节 克隆植物的适合度 第三节 克隆植物的行为 第四节 克隆生长与有性繁殖 第五节 克隆植物的遗传多样性 第六节 结论与展望 参考文献 第四章 防御 …………………………………………… 任明迅、曾艳飞、张大勇 第一节 形形色色的抵抗

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第二节 忍耐与抵抗 第三节 防御和生活史 第四节 植物防御的进化：理论模型 第五节 结语 参考文献 第五章 交配系统 …………………………………………………………… 陈小勇 第一节 植物性别与交配系统 第二节 植物交配系统研究的方法 第三节 自然植物种群的异交率 第四节 影响植物种群异交率的生态因素 第五节 近交、远交及其衰退 参考文献 第六章 雌雄异熟 ………………………………………………… 白伟宁、张大勇 第一节 雌雄异熟的类型 第二节 雌性先熟和雄性先熟的分布 第三节 雌雄异熟的选择压力及其进化 第四节 结语 参考文献 第七章 雌雄异位 ………………………………………………… 任明迅、张大勇 第一节 雌雄异位的各种类型 第二节 雌雄异位的功能与适应意义 第三节 雌雄异位与雌雄异熟 第四节 雌雄异位的进化 第五节 结论与展望 参考文献 第八章 雌雄异株 ………………………………………………… 廖万金、张大勇 第一节 雌雄异株在被子植物中的发生范围 第二节 雌雄异株进化的途径 第三节 理论模型及其检验 第四节 结论与展望 参考文献 第九章 雄全同株 ………………………………………………… 廖万金、张大勇 第一节 两性花和雄花的时空模式和比率 第二节 雄全同株的进化意义 第三节 雄全同株的进化方向 第四节 结论与展望

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参考文献 第十章 分子标记技术 ……………………………………………………… 廖万金 第一节 等位酶标记与 DNA 分子标记 第二节 分子标记与交配系统 第三节 分子标记与基因流 第四节 分子标记与克隆鉴定 第五节 结语 参考文献 第十一章 分子系统发育分析 …………………………… 钟扬、施苏华、任文伟 第一节 分子系统发育研究简介 第二节 繁育系统与生活史性状的进化 第三节 适应性进化分析 第四节 植物群落的系统发育分析 第五节 结语 参考文献 索引

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第一章 生活史进化 张大勇 理想状况下，每个植物的寿命都应该无限长，刚一出生就开始繁殖，并且每次 繁殖都生产大量的种子。显然，这种达尔文精灵（Darwinian Demon）在现实世界 中是不可能存在的（Partridge & Harvey 1988），因为任何植物在任一时刻可利用的 资源量总是有限的。如果植物在繁殖上投入了更多的资源，那么它在生长、存活等 方面的资源投入就会相应减少。每个生物都只能在生长、存活和繁殖的各种可能组 合中寻找一个最佳方案，以最大程度地实现其繁殖成效（reproductive success）。 所谓生活史是指生物从出生到死亡所可能经历的各个阶段（Willson 1983）。生 活史性状一般是指不同年龄的存活率与生育率，但人们有时也把一些与繁殖或存活 相关的指标（如后代大小、扩散、生长速率等）或者一些综合性指标（即对若干不 同年龄存活率和生育率参数的概括，如寿命、经产数等）也当作生活史参数来研究。 早在 1930 年，Fisher 就提出应把不同年龄的存活率和生育率看作为生物表型的一 部分，并探讨了它们的适应性问题。20 世纪上半叶，Lack（1947）关于鸟类窝卵 数、Medawar（1946, 1952）关于衰老、以及Cole（1954）关于单次/多次繁殖进化 的研究，标志着现代生活史理论的兴起。在 1920~1950 年这一时期，生态学家已经 开始广泛运用寿命表方法研究动物种群，因而对不同年龄的存活率和生育率的定量 种群统计学后果已经具备了有效的分析手段。而且人们业已发现，这些生活史参数 无论是在种内还是在不同物种之间都有很大的变异。生活史进化理论试图说明这些 生活史变异的维持机制及其适应意义（Roff 1992, Stearns 1992, 2000, Roff 2002）。 目前，生活史进化理论主要是由动物种群统计学（demography）和综合进化论 相结合而形成的。部分原因可能是由于该领域的开创者都具有动物生态的背景（如 Lack, Medawar, 和 Cole） ，但也可能存在方法论上的问题：由于植物的构件性、营 固着生活以及克隆生长（克隆繁殖）等，植物个体之间的变异和表型可塑性往往非 常大，数量统计不象动物种群那样容易。按照 Harper（1967）的观点，高等植物 的这些特性严重地制约了植物种群生物学的发展。这种状况一直持续到Harper （1977）的《植物种群生物学》巨著出版之后才开始得到改善，并相继出版了多本 有关的会议文集、教材和专著（Solbrig et al. 1979, Solbrig 1980, Silvertown 1982, Willson 1983, Dirzo & Sarukhan 1984, Jackson et al. 1985, Lovett Doust & Lovett Doust 1988, Wyatt 1992, Bazzaz & Grace 1997, Silvertown et al. 1997, Vuorisalo & Mutikainen 1999, Silvertown & Charlesworth 2001）。 现代生活史进化的研究异常活跃，有关文献可以说是浩如烟海，新思想、新模

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型以及新证据仍然层出不穷。但是在本章内我们并不打算对植物生活史进行全面地 综述，而是着重介绍其理论框架、研究思路和一些基本概念。若想对这个领域有更 全面、更深入的系统了解，读者可以参阅一些近年的专著，如 Roff（1992, 2002）、 Stearns（1992）、Silvertown et al.（1997）以及 Vuorisalo & Mutikainen（1999）等； 侧重于遗传学和种群统计学基础理论方面的书籍则有Charlesworth（1994）、Bulmer （1994）和 Caswell（2000）；而关于生活史研究最新进展和今后发展趋势的展望与 介绍可以参见 Stearns（2000）和 Roff（2002）。

第一节 表型最优化研究法 生活史进化的研究主要有两大类方法。一是表型最优化研究法，根据作用在生 活史性状上的选择压力来探讨生活史性状的适应意义。这种方法一般都是通过某种 形式的最优化模型（optimality models）来开展研究的（Maynard Smith 1978）。它 通常假定存在着这样一个最优化指标（适合度） ：最优的生活史策略应该使该指标 达到最大值（e.g. Parker & Maynard Smith 1990, Lessells 1991, Roff 1992, Stearns 1992, Charlesworth 1994, Daan & Tinbergen 1997, Roff 2002）。构造最优化模型的主 要目的是帮助人们理解产生适应性的选择力量（Maynard Smith 1978） 。最优化模型 是一种表型研究途径，因为它忽略了最优表型可能会由于遗传变异不存在而无法实 现的问题。当模型预测与实际观测不符的时候，我们是修改模型使之更加完善（因 为模型可能遗漏了某些重要的、在种群内维持该性状的选择力量）还是干脆放弃这 种努力？这是一个比较复杂的科学方法论问题，读者可以参见 Maynard Smith （1978）和 Parker & Maynard Smith（1990）为前一种选择所作的辩护，此处不再 赘述。尽管这样或那样的批评从未间断过，最优化研究法仍然显示出其强大的生命 力，在探讨各类生物适应性问题上都发挥着不可替代的作用（Kozlowski 1999）。 另外一种研究生活史进化的方法是遗传学方法，它也考虑自然选择的效应，但 其侧重点为自然选择如何影响种群内基因频率的变化（Lande 1982）。遗传学方法 能够预测种群遗传变化的方向和速度、以及达到平衡时遗传变异的水平，而这些很 明显是表型途径无法作到的。虽然表型研究法完全忽略了所研究性状的遗传学基 础，但它能够更好地阐释生活史性状的适应性，能更好地说明不同的环境将会塑造 什么样不同的生活史，而这却是遗传学途径的薄弱环节（Maynard Smith 1982, Charnov 1989, Parker & Maynard Smith 1990）。从这个意义上说，表型和遗传学研究 不是对立的，而是相互补充的。遗传学研究法主要处理“局部”事件，即在较小时 间尺度上描述和预测生活史变异，而表型研究法则从长远的、进化平衡的角度探讨 什么样的表型在当前环境条件下是最优的。 下面我们主要介绍表型最优化研究法，至于生活史进化的数量和种群遗传学研

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究及其与表型最优化理论的联系，读者可以参考 Charlesworth（1994）和 Roff（2002） 的专著。

一、决策变量：生活史性状 每个最优化模型都要处理一个或更多生物学性状的进化问题。这些性状可被称 为该模型的决策变量。生活史最优化模型研究的是生活史性状，严格地说来是由不 同年龄的生育率和存活率构成的（Partridge & Harvey 1988；Lessells 1991）。像寿命、 初次繁殖年龄、经产数（一生中繁殖的次数）等指标是对这些不同年龄生育率和存 活率的概括总结，因而也符合生活史性状的定义。而对存活率或者生育率有相当直 接影响的一些其它性状，如个体生长速率、后代大小、在繁殖季内开始繁殖的时间、 成熟时的个体大小以及种子在时间和空间上的扩散等，也都经常被作为生活史性状 来研究。虽说如此，不同年龄的生育率和存活率与其它生活史性状还是有一个重要 的区别：生育率或者存活率的增加总是提高生物的适合度，而其它生活史性状，如 生长率、后代大小、扩散率等，则往往是中间值才对应着最大的适合度。

二、优化指标：内禀增长率 r 或总繁殖率 R 自然选择使生物个体的适合度达到最大，所以适合度可以被用来作为生活史优 化模型中的目标函数。但适合度应该如何来衡量？考虑这样的两个基因型，一个基 因型可能在种群中很快取得数量上的优势地位但只能生存较短时间，然后就灭绝 了，而另一个基因型可能从未在种群中取得过数量优势但能生存更长的时间。这两 个基因型谁是更适应的？对这个问题恐怕没有一个简单的标准答案（Stearns 1992）。文献中人们更倾向于强调数量优势，并暗含地假定了数量优势与生存时间 之间没有矛盾：能够获得最大数量优势的基因型也能生存最长的时间。 在生活史进化模型中，最常用的两个适合度计测指标为总繁殖率（R，net reproductive rate，文献中有时把它译成净繁殖率）和种群内禀增长率（r，种群遗 传学中一般称为马尔萨斯参数；如果种群增长是离散的，种群增长率一般用λ来表 示。λ和 r 的关系为λ= er）。当种群动态是非密度依赖的，人们一般用 r（或者λ） 作为适合度指标（公式 1-1）；而对于个体数量恒定的种群，优化指标则通常采用 R （公式 1-2；Partridge & Harvey 1988，Roff 1992, Stearns 1992, Kozlowski 1993, Charlesworth 1994, Kozlowski 1999, Roff 2002）。本节下面介绍的内容属于对适合度 概念较为抽象和理论化的讨论，初次阅读大部分都可以跳过：你只需知道 r 和 R 是 怎样定义和求出的即可。

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这里需要特别强调，由于人们现在还不能给出一个在所有情况下都通用的适合 度指标，甚至有没有这样的指标都可能存在着激烈的争议（Stearns 1992），所以在 分析每一个具体的生活史问题时人们必须专门设计一个优化指标，这个指标对分析 当前问题可能是恰当的，但换成另一个问题或者另一组研究对象时可能就不再适用 了。从某种意义上说，适合度这时已从一种抽象概念变成了具体问题具体分析的实 用工具（Stearns 1992）。任何一个适合度指标都有它自己的适用范围，选定了它就 等于附带选定了使该优化指标成立的各种限定条件（Kozlowski 1993, 1999）。由于 植物的繁殖与存活往往与大小联系更紧密，所以植物种群统计学经常分析大小结 构，而不是常规的年龄结构（参见 Caswell 2000）。但是，大小结构（size-structured） 比年龄结构（age-structured）更难以进行数学分析，所以作为对生活史进化问题的 一个简要介绍，本章只考虑年龄结构的种群。关于大小结构种群动态的模型读者可 以参考 Caswell（2000）的专著。至于克隆生长给植物生活史进化分析造成的复杂 性我们将在第六节和第三章中进行讨论。 考虑由一个基因型组成的单态（monomorphic）种群。如果各个年龄的存活率 和生育率都不随时间变化，那么经过一段时间之后，种群将收敛于一个稳定的年龄 结构并表现出指数增长。具体地，若令 p(x)为 x 龄个体存活到下一年的概率，m(x) 为 x 龄个体生育的雌性后代数（对于雌雄同体的植物，即种子数），这时种群增长 率（r）可根据传统的 Euler-Lotka 方程求出：

1=

∞

∑e

− rx

l ( x ) m( x )

（1-1）

x =0

其中 l(x)= p(0) p(1) … p(x-1)，为个体从出生到 x 龄的存活率；l(0)=1。在一个无性 繁殖的种群中，具有最大增殖速率的基因型将是进化竞赛中的胜利者，一旦出现， 它在种群中的频率将不断增加并最终占据整个种群（遗传学中称为固定） 。既然 r >0 的指数式种群增长不可能长久地维持下去，所以，r 可作为适合度指标仅限于以下 两种情形（Kozlowski 1993） ：（1）种群频繁地经受严重干扰，而且干扰对所有基因 型存活率的影响都是相等的；（2）当最大的 r 等于 0 的时候，这时种群大小既不增 加也不减少。 另一个人们经常采用的适合度指标是总繁殖率（R），它被定义为有机体一生的 期望后代数，即：

R=

∞

∑ l ( x ) m( x )

（1-2）

x =0

许多人喜爱使用 R 作为适合度指标，因为它可以很方便地拆成两个部分之和：

4

R=

a

∑

∞

l ( x ) m( x ) +

x =0

∑ l ( x ) m( x )

（1-3）

x = a +1

这里 a 可以是任何年龄。如果在 a-龄之前各个基因型的 p(x)和 m(x)都相等，那么判 断哪个基因型是更适应的我们只需考查 a-龄以后的生活史参数即可（Kozlowski 1993）。但用 r 作为适合度指标时却没有这种便利条件，因为 r 和各个时期生活史 参数的函数依赖关系比上式复杂很多。 以 R 作为适合度指标要求种群数量必须处于既不增加也不减少的动态平衡之 中，这实际上等于说我们已经假定了密度调节机制在发挥着作用（Kozlowski 1993, 1999）。对于许多植物种群来说，密度依赖的种群调节作用可能主要表现为高密度 时种子和幼苗的大量死亡。如果种群大小没有稳定而仍然继续增加，那么越晚出生 的后代，与当前出生的后代相比，其价值就越低。打个比方，这种情形就象通货膨 胀时的货币一样：一年后挣到的 1 元钱可能只相当于今天挣到的 5 角钱。如果种群 增长率为 r，那么过了 x 年后种群数量将是现在的 erx 倍。因此 x-年后生育的一个后 代只相当于现在生育的 e-rx 个。考虑到这种“通货膨胀”（或者“通货紧缩” ，如果 种群数量在下降）效应，我们可以定义一个新的指标——出生时的繁殖值 （reproductive value at birth），即

V ( 0) =

∞

∑e

− rx

l ( x ) m( x )

（1-4）

x =0

它等于一个个体从出生时刻起，一生中所期望拥有的、折算成出生时刻现值的后代 数量。Taylor et al.（1974）证明，只要种群数量动态是一个确定性过程（不管是否 存在着密度依赖的种群调节作用），出生时的繁殖值就是一个恰当的适合度指标。 但我们注意到，在遗传单态的、具有稳定年龄结构的种群中，V(0)的取值，根据 Euler-Lotka 方程，只能等于 1。这似乎是一个矛盾：出生时的繁殖值既要被自然选 择最大化又只能是一个常数。利用进化稳定对策（ESS）概念可以较好地解决这个 难题。 所谓 ESS 是指当种群完全由某个对策（基因型）组成的时候，任何其它对策 都不能依靠自然选择的作用而成功地侵入这个种群，那么这个对策（基因型）就被 称为进化稳定的（Maynard Smith 1982）。ESS 概念的精髓是不强调绝对意义上的优 化，而是从相对意义上寻求所谓的最佳（张大勇等 2000） ：当种群完全由 ESS 对 策者组成的时候，它的适合度大于其它突变对策者的适合度。根据传统的最优化模 型求出的最优生活史肯定满足 ESS 条件，但反过来，ESS 却未必是最优的（Parker & Maynard Smith 1990, Kawecki 1993, Mylius & Diekmann 1995, Brommer 2000）。因 而，ESS 可以看成是一个较弱的最优化概念。 数学上，ESS 概念可以更严格地定义如下（Maynard Smith 1982；参见张大勇

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等 2000）。令 W(J,I) 表示在 I-对策者组成的种群内 J-对策者的赢得值（pay-off）。 我们说 I 是一个 ESS，如果对于所有的 J ≠ I 都满足下列条件

W (J , I ) < W (I , I )

（1-5）

或者当 W ( J , I ) = W ( I , I ) 时，则对于任意小的 q 都有

W ( J , Pq , J , I ) < W ( I , Pq , J , I )

（1-6）

其中 W ( J , Pq , J , I ) 表示在 J 占比例为 q，I 占比例为（1-q）的种群里 J 对策者的赢 得。条件（1-6）是说，当 I 是弱纳什（Nash）平衡时，即 W(J,I) = W(I,I)，一旦 J 在种群内占有不可忽视的比例时其适合度（赢得）必须小于 I 的适合度。这个条件 保证了 I-对策者种群不会被任何突变对策所侵蚀。 我们关注的大多数生活史性状，如成熟年龄、繁殖分配、后代大小、扩散率等， 都是连续的对策，所以上述的 ESS 条件可以转换成微分方程的形式（参见张大勇 等 2000）。如果连续对策 v*是进化稳定的，对任何 u ≠ v*的突变对策都必须有

W (u, v*) ≤ W ( v*, v*)

（1-7）

这也就是说， W (u, v*) 作为 u 的函数应该在 u = v* 处取极大值，或者

∂W (u, v*) =0 ∂u u =v*

（1-8）

∂ 2W (u, v*) ≤0 ∂u 2 u =v*

（1-9）

（1-9）式是为了保证（1-8）式求出的解是极大值而不是极小值。上面两式合在一 起保证了 v*是一个纳什平衡。如果（1-9）式的不等式严格成立，那么 v* 是一个 严格的纳什平衡，必然是 ESS。但如果 W 对 u 求出的二阶导数等于 0，那么 v* 就 是一个弱纳什平衡，它是否是一个 ESS 还需要根据（1-6）式所规定的条件进行判 别。好在多数生活史进化模型求出的解都是严格的纳什平衡，故而我们一般不需要 考虑后面这种更复杂的情形。 现在让我们回到前面的问题。假设种群是由马尔萨斯参数为 r 的基因型所组成 的，这时，我们考虑一个突变基因型在这个种群内的命运。如果 r 是一个 ESS，那 么突变基因型的马尔萨斯参数 r’必然小于 r，否则突变基因型将可以成功侵入种群， 与 r 为 ESS 的定义矛盾。用 V’(0)表示突变基因型出生时的繁殖值，根据定义我们 有（注意，由于突变基因型处于由马尔萨斯参数为 r 的基因型所组成的种群中，所 以这时的种群增长率为 r）

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V ' (0) =

∞

∑e

− rx

l ' ( x ) m' ( x )

（1-10）

x =0

既然 r’< r，所以

V ' (0)
G 和 C > G。整合者能够形成各种各样的类群，在这些类群中，不同植物的生理整 合起着不同的生态作用，取决于不同克隆片断的大小和整合方式。克隆片断具有复 杂的内部结构，通常由一个或多个整合生理单元组成。 整合生理单元的大小取决于三个变量 C、R 和 G 的关系。当 R 仅稍大于 G 时， 只形成小的克隆片断。如果 R 远远大于 G 那么就会形成由许多不同世代分株组成 的大克隆片断。大克隆片断内结构的复杂性取决于分枝频率和分株间生理连接持续 的时间。R 和 C 间的关系决定了一个系统的整合程度：如果分株间的连接在分株死 亡前由于身体连接的断开或生理活动连接的结束而中断（C < R） ，那么整合仅限于 大克隆片断内的小克隆片断或小生理整合单元内。如果分株间的连接在两个分株的 一生中都保持完整并发挥功能（C = R），那么就会形成完全整合的克隆片断。通过 这样一系列的等级二分法可鉴别出四种主要的功能类型（表 3-1）。Oborny & Kun （2001）在 Jonsdottir & Watson（1997）的基础上，对分株世代时间（G）进行了 简化，假定 G = 1，并假定分株间生理连接的寿命（C）可以大于分株寿命（R）， 由此划分出三种整合类型：（1）断开策略型（Splitter Strategy），这类克隆植物分株 间生理连接的寿命很短（C < R），最简单的情况是，分株定居后连接即断开（C = 0） ， 基株是由互不连接的独立分株组成的；（2）短暂整合策略型（Transient Integrator ，这类克隆植物分株间的生理连接持续到连接分株死亡为止（C = R），因 Strategy） 此基株是由许多整合的克隆片断组成的；（3）永久整合策略型（Permanent Integrator Strategy），这类克隆植物的基株一生中都处于整合状态，分株间的生理连接始终保 持着功能状态（C > R）。 表 3-1

根据克隆植物功能分株连接寿命(C)、分株寿命(R)和分株世代时间

(G)划分的整合方式种类(引自 Jonssottir ＆ Watson,1997) 非整合者

C < R ≥ G

C ≤ G

整合者

C ≤ R > G

C

小克隆片断内的有限整合

C < R > G

大克隆片断内的有限整合

C < R >> G

小克隆片断内的完全整合

C = R > G

大克隆片断内的完全整合

C = R >> G

> G

（二）克隆整合的实验检验 不同克隆植物间克隆整合程度的差异很大。已经发现克隆整合程度与环境斑块

201

性程度和植物在环境中的平均资源获得能力有关（在不良的但相对无干扰的环境中 生理整合程度较高）。在大多数克隆植物中资源转移主要是趋向于生长外端的 （acropetal），如从较老的分株向较幼小的分株的转移，而亲株与子株间的互惠转 移一般都是很有限的。但是，也有一些研究报道了大量的向生长内端的（basipetal） 转移，主要存在于分株间连接寿命较长、缺少地上枝条的老的分株间。广泛的 （extensive）生理整合被认为是在生长季内植物对一种或多种资源较低可被获取度 的适应（D'Hertefeldt & Jonsdottir 1999）。 （1）克隆植物的碳整合动态 有关克隆植物分株间的碳生理整合方式研究 14 已有许多，这些研究多采用 C 示踪或人为遮荫的方法。例如毕氏苔草（Carex bigelowii）和足叶草（Podophyllum peltatum），14C标记发现在这两个物种中都存在 着碳从被固定处同时向着远端正在生长的幼小分株和内端分株地下根茎和根的大 幅度转移，这两个物种分株的地下部分都能连续几年获得新固定的碳。毕氏苔草标 记碳向生长外端转移可发生在11个分株世代间（Jonsdottir & Callaghan 1989），足叶 草标记碳向生长内端转移可发生在6个世代间（Landa et al. 1992），且光合同化物可 在20个相互连接的毕氏苔草分株间（Jonsdottir & Watson 1997）和11个足叶草的相 连分株间（Landa et al. 1992）流动（travel）。但毕氏苔草光合碳同化物主要保留在 所标记的植株内，只有少量流向外端的幼小分株，光合碳同化物的流动随季节变化 不大。而足叶草光合碳同化物的流动随季节变化很大，大部分新固定的同化物都向 内端流动，贮藏在根茎中，第二年春季供给新的分株生长（ Jonsdottir & Watson 1997）。Price et al（2001）.对虎杖（Fallopia japonica）的14C标记发现，在一年中 的不同时期，14C在虎杖植株的分配格局不同：随着季节的推移,根茎逐渐成为当前 同化物的最主要的库（从根茎中回收到的14C，8月份占35%，9月份占67%），而定 居植株所保留的同化物却相应的减少，只有相对较少的光合同化产物输出给其它的 分株或花；最初固定的14C在植株衰老或死亡前转移到根茎内，在第二年的早春， 其中一些被固定的14C会再流动到新生的植株内。这些特征可能有助于虎杖拓殖各 种不同的生境，这与从足叶草中观察到的光合碳同化物的季节流动很相似。 Price et al.（1992）对欧活血丹的14C标记也发现了标记光合产物向生长内端转 移的现象，但主要还是向着生长外端转移；新产生的分株靠老的分株提供光合产物， 但随着时间的延长，它们逐渐变得完全独立。然而， D'Hertefeldt & Jonsdottir（1999） 对沙地苔草克隆片断14C标记却发现，14C在克隆片断内能够进行大范围转移，碳同 化物在向着生长外端转移的同时，也有相对较少但非常明显的向生长内端转移的现 象。与亲株和子株间存在着明显的光合碳同化物转移相比，年龄与大小相等的姊妹 分株间的光合同化物转移却相对较少。例如，菊科黄花七筋姑（Clintonia borealis） 未受干扰的分株间始终存在着少量的光合碳同化物转移，而紫菀属植物（Aster acuminatus）的成熟分株间只是偶尔存在着光合碳同化物的传递（ Ashmun et al. 1982）。

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遮光也可导致连接分株间的光合碳同化物的转移，Stuefer et al.（1994）将匍匐 委陵菜（Potentilla reptans）和鹅绒委陵菜（Potentilla anserina）的亲株与子株分别 种植在光暗交替的环境条件下，两种委陵菜都表现出了明显的克隆整合利益。出乎 意料的是，两种委陵菜未遮荫的克隆部分的生物量当与遮荫部分相连时不是降低而 是增加，因此未遮荫的克隆分株实际上是从克隆整合中获得了利益。这种意外结果 的产生是由于生长于遮荫环境下的分株与生长在未遮荫环境下的分株相互支持所 致。未遮荫克隆部分的高度蒸腾需求可能会导致水分从遮荫的克隆部分向未遮荫的 克隆部分转移，同时碳同化物则从未遮荫分株向遮荫分株转移。Saitoh et al（2002） 对林下叶层矮竹（Sasa palmata）的野外遮光和切断实验发现，矮竹的分株生物量 和植株密度在遮荫环境下比开阔环境下明显下降，但当分株的根茎保持连接时下降 的幅度要低于被切断时。这个结果表明，遮荫分株生长的减少可从与它们相连接的 生长在开阔环境下的分株处得到补偿；矮竹在有限光照条件下通过与生长在光线充 足环境下的分株进行光合碳生理整合而得到支持。 （2）克隆植物的营养整合动态 有许多研究表明，在克隆植物中营养元素 能够从生长在高营养斑块的分株向生长在营养贫瘠斑块内的分株再分配。例如， Noble & Marshall（1983）运用凯氏定氮分析和放射线自显影法对沙生苔草中 N 和 P 的流动进行了研究，在野外和温室都观察到了生长在高营养条件下老分株向生长 在低营养条件下幼小分株营养输出的现象。但 D'Hertefeldt & Jonsdottir（1999）的 研究却发现在沙生苔草中，营养物质和水分既可以向生长外端转移也可以向内端转 移。Abrahamson et al.（1991）研究了温室条件下，菊科一枝黄花属植物（Solidago altissima）在五个不同营养处理水平下的营养整合程度，发现亲株及其附属的根部 与正在发育的子株间存在着营养元素共享，但亲株的两个相连子株间不存在营养共 享，而是相互竞争贮存在亲株根茎中的营养。Wijesinghe & Handel（1994）在温室 条件下比较了生长在不同营养条件下的 Poteneilla simplex 连接分株和断开分株的 表现，结果发现在均匀的环境下，连接和断开的克隆的生物量没有差异，但生长在 异质生境中的连接克隆的重量显著高于断开的克隆，说明资源共享的利益随着生境 的斑块性的增加而增强；亲株对子株的供给是以大量降低其自身的生物量为代价 的，但子株从克隆整合中所获得的利益与子株所占据的斑块的好坏无关。Jonsdottir & Callaghan（1990）研究了毕氏苔草和足叶草老分株的营养吸收和营养整合方式， 结果发现毕氏苔草存活 14 年的分株和足叶草存活 5 年的分株都能够从土壤中吸收 氮。这两个物种新获得的氮都主要向生长外端传输，随着分株年龄的增加，距离新 产生的分株越来越远，年老的分株对新生分株的生长失去了意义。 D'Hertefeldt & Jonsdottir（1999）对沙生苔草木质部水分流动的研究发现，沙 生苔草中水分既可向外端也可以向内端转移。但也有研究认为沙生苔草的水分是从 幼小分株向老分株流动的（Pitelka & Ashmun 1985）。Alpert（1990）发现禾本科植 物 Distichlis spicata 相连分株间也存在着广泛的水分流动：通过根茎的水分传输距

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离最远可达 1.4m。分株间的水分共享可有利于分株的存活和繁殖。 （3）去叶、胁迫和切断克隆间连接的影响 克隆整合最令人信服和最具有 生态意义的证据来自于胁迫处理实验。局部胁迫可通过改变源与库的关系而改变正 常的光合同化物的转移方式（Pitelka & Ashmun 1985）。有许多研究发现，去除克隆 内一个或几个分株的叶片会导致已经独立的分株重新发生生理整合。例如， Chapman et al.（1991）观察到有规律地去叶能导致白三叶的主茎与其分枝间的同化 产物的明显交换；Yu et al.（2002b）以不同程度的沙埋处理鹅绒委陵菜的克隆片断， 并同时切断和保持克隆片断间的匍匐茎连接，结果发现，保持连接能显著提高沙埋 分株和整个克隆片断的生物量以及沙埋分株的存活率，表明克隆整合能缓解沙埋对 鹅绒委陵菜存活和生长的胁迫。 切断克隆植物间的连接是评价克隆整合对植物适合度影响的一个主要方法。通 过切断根茎可以检验生理整合对于克隆片断内一个潜在独立的分株或分株群体的 生长和存活的重要意义。Jonsdottir & Callaghan（1988）发现当切断根茎时，毕氏 苔草幼小分株的存活率下降，而且对于那些能够存活下来的幼小分株，其生长量下 降并且不能产生新的分株；切断部位距离幼小分株越远，对被切断的幼小分株的存 活和生长影响越小。董鸣等（1999）对毛乌素沙地两种根茎禾草，沙鞭（Psammochloa villosa）和赖草（Leymus secalinus），进行了野外切断根茎实验，发现切断根茎对 沙鞭幼小分株的存活和生长具有明显影响，而对赖草幼小分株的存活和生长却没有 明显影响，这表明不同物种克隆整合的程度及其贡献不同。即使同一物种，其不同 基因型整合程度也不同，Alpert et al.（2003）以海滩草莓为材料，比较了温室条件 下海滩草莓三种基因型间整合程度的差异，结果发现异质生境下三种基因型都存在 着克隆整合现象，而且整合程度有明显的差异；但在均匀环境下，无论分株间保持 连接还是被切断，不同基因型的生物量均没有显著差异。这表明克隆植物间的资源 共享可能是对资源斑块性分布的一种适应机制。Pennings & Callaway（2000）首次 在野外条件下，通过切断和保持入侵到三种不同生境中六种不同类型克隆植物间的 连接，对多物种和多种生境下克隆整合的重要性进行了比较研究。他们发现，克隆 整合对于入侵高度盐渍化生境中的克隆片断最为重要，对于入侵到没有邻域竞争的 生境中的克隆片断中等重要，而对于入侵到有邻域竞争生境中的克隆片断最不重 要，说明克隆整合的重要性在不同物种和不同生境中有很大差异。因此，需要对野 外条件下不同物种可获得的各种资源的变异进行详细的研究才能更好地理解在自 然状态下克隆整合的重要性。 有关整合的利益已经从人工异质环境中得到了充分证实。但野外的克隆整合实 验证据还很有限。用于研究克隆整合的人工环境都只强调了非生物胁迫，而对生物 胁迫，如种群密度、疾病和食草作用等，还没有给予足够的关注。

（三）克隆整合的适应意义

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（1）克隆整合的利益 在资源呈斑块状分布的生境中，广泛的克隆整合在 许多方面可能都是有利的。首先，广泛的克隆整合能够使克隆片断保存和循环利用 贫乏资源，通过汇集和再分配，能够使新的分株在资源贫乏或季节性资源贫乏的生 境中成功定居。整合的幼小分株能够在实生苗不能存活的地方生长（Lovett Doust 1981），从而可以缓冲空间异质性与局部胁迫、竞争和食草作用对植物的不利影响 （Salzman & Parker 1985, Jonsdottir & Callaghan 1989, Brewer & Bertness 1996） 。其 次，广泛的克隆整合使克隆片断内不同分株形成特化分工（Alpert & Stuefer 1997）， 提高了资源吸收效率，从而增加了基株的适合度。第三，广泛的克隆整合能够使新 分株迅速长满可占据的空间，并整合地对生境异质性发生反应，形成与生境异质性 相适应的分株形态和空间放置格局（Dong 1995, Dong et al. 1996），这样避免了基株 内的资源竞争，因而使基株获得了竞争优势（Bloom et al. 1985, Cook 1985）。这种 能力在资源呈斑块分布的生境中应具有选择上的优势。第四，通过分株生产的发育 控制，分株间的内部竞争能得到调节。克隆植物的顶端优势提供了搜寻生境和调节 分株种群大小的手段。具有强烈顶端优势的克隆限制了新分株的数量。新分株的生 产远远低于顶端分生组织所能够产生的数量，这使得植物能够将有限的资源集中用 于少量的分株，从而使成功存活的分株数量达到最大（Jonsdottir & Callaghan 1988, Watson et al. 1997）。最后，克隆整合能够导致风险分摊，所谓的风险分摊是指伴随 着克隆生长，基株的死亡风险（或概率）被分摊到各个克隆分株或分株系统，从而 具有进化上的优势（Cook 1985）。不同的克隆植物由于克隆生长型不同和所遭遇的 生境异质性不同可具有不同的分摊形式和机理对策。基株是由形态上彼此独立的分 株组成，分株的死亡概率是独立的，整个基株的死亡概率是各个分株死亡概率的积， 分株的死亡概率越低、产生的分株越多，基株的死亡风险就会越低，基株也就越具 有进化上的优势（董鸣，1996a）。 （2）克隆整合的代价 然而，并不是所有的整合都是有利的，克隆整合也 存在着不利的方面。克隆间的物质传输需要能量花费，维持根茎或匍匐茎生长也需 要消耗能量（Pitelka & Ashmun 1985），向子株传递资源会减少亲株的生长（Salzman & Parker 1985），分株间共享资源还可能会导致基株内部资源稀释和较高的基株死 亡风险。克隆后代在遗传上的一致性也使它们特别容易感染病害，伴随着克隆整合， 植物病原体可以从基株的一些分株到达另一些分株（ Pitelka & Ashmun 1985, Silvertown & Charlesworth 2001），例如，Burdon & Shattock（1980）对荷兰榆树病 的研究发现，95%的发病榆树都属于同一个克隆。此外，由于克隆生长与有性繁殖 间的资源竞争，使有性繁殖可获得的资源减少，从而会导致种群遗传多样性下降， 从长远的观点看，这是不利于物种持久存在的。 （3）克隆整合的利益与代价的平衡 克隆植物是否会从整合中获益依赖于 整合的程度和它们所处的环境。不同生境克隆整合的程度不同，表明资源共享并不

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总是有利的。如果生理整合有益于资源被剥夺的分株，那么必然会导致源分株的代 价，对资源缺乏的分株的供给可能会降低资源供应分株的适合度（Pitelka & Ashmun 1985, Caraco & Kelly 1991）。因此，只有当克隆整合能够使与适合度有关的性状表 现增强时（如增加整个基株的生物量或种子产量），即资源输入的利益超过了资源 输出所带来的代价时，资源共享才会被选择（Eriksson & Jerling 1990, Caraco & Kelly 1991）。Ong & Marshall（1979）发现，如果受胁迫的分株不能实现或保持积极的能 量预算，输出分株能够停止向受胁迫分株提供能量和营养元素（实际上是从受胁迫 的分株收回资源），这表明源分株能够积极地调节它的资源输出，以增加基株的适 合度。Caraco & Kelly（1991）模拟了从亲株到子株间的资源传递，预测当可获得 资源在时间和空间上不断变化时，如果分株生长与资源水平的依赖关系为减速递增 的函数形式，那么保持整合将是有利的；如果分株生长与资源水平关系为加速递增 函数的形式，那么保持整合将是不利的（图 3-3）。 Alpert（1999a）在 Caraco & Kelly（1991）的基础上，给出了在均匀和异质生 境中成熟分株间资源传递利益的简单概念模型。分株对资源供应的响应可表现出三 种简单的类型。一种是克隆分株适合度随资源供应的增加而呈线性增加（图 3-3a,b）；在这种情况下，克隆整合将会表现为输入分株增加的适合度与输出分株减 少的适合度相等，整合的净利益为零。并且环境条件是异质还是均匀的对结果没有 影响。如果分株间资源运输传递存在着代谢代价，那么整合将是不利的。所以在线 性适合度反应的情形下，我们预期克隆植物不会表现出整合行为。 第二种类型是克隆适合度随资源供应的增加而趋向于饱和（图 3-3c,d） 。在自 然系统中这种类型的响应也许最为常见（Chapin 1980, Bloom et al. 1985）。在这种 情况下，环境条件在空间上是均匀分布还是异质分布的对结论有很大的影响。如果 环境是均匀的（成熟克隆分株的初始大小基本相等），整合导致的输出者适合度的 下降程度将大于输入者适合度的增加程度，因而分株间的生理整合将不会受到选 择；如果环境是异质的（成熟克隆分株的初始大小不等），整合导致的输出者适合 度的下降程度将小于输入者适合度增加的程度，因而整合是有利的。 第三种类型是克隆适合度随资源供应的增加而加速递增（图 3-3e,f）。与第二种 类型相同，环境的异质性（均匀性）对结果影响很大，但影响的效果与却正好相反： 克隆整合在均匀生境中受到选择，在异质生境中却是不利的。 由于饱和形式的克隆适合度－资源投入曲线在自然界中可能是最常见的，所以 图 3-3 中 c 和 d 两种情形将可以应用于多数自然种群（参见第二章第六节）。Alpert （1999a）以海滩草莓为材料对模型进行了验证，发现生长在草地（均匀环境）中 的分株间整合度较低，而生长在沙滩（异质环境）上的草莓表现出较高的生理整合， 与模型预测完全吻合。

206

a

b

均匀生境 分株适合度

输出

损失

收获

收获

损失

分株适合度

输出

异质生境

输入 输入 资源供应

c

资源供应

d

均匀生境

损失

输入

输出 收获

分株适合度

收获

损失

分株适合度

输出

异质生境

输入

资源供应

e

资源供应

f

均匀生境

输出

损失

分株适合度

收获

收获

损失

分株适合度

输出

异质生境

输入 输入

资源供应

图 3-3

资源供应

均匀和异质环境下，成熟分株间生理整合对分株和克隆适合度的影响，详见正文。

图中实心圆点表示生理整合前的状态，空心圆点表示整合后的状态（仿 Alpert 1999） 。

三、克隆内分工

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克隆植物的克隆生长是通过分株的重复生产来实现的，分株间经常通过横向 连接物传输交换物质。克隆植物的分株构件特点使它能够使更灵活地调节其获取不 同资源的相对能力，并使它的单个分株为了获取丰富的资源而发生趋富特化，不同 分株执行着互补的功能。克隆植物的趋富特化是建立在克隆整合基础上的克隆内分 工（division of labour）（Alpert & Stuefer 1997）。

（一）克隆内分工的定义 克隆内分工的概念源于经济学中的劳动分工，即生产系统内为了执行系统作为 一个整体所必须的各项任务而形成的不同单元的互补特化。分工的目的在于提高整 个系统的经济效益。最早把分工这一术语应用于克隆植物的是欧洲生态学家 Callaghan（Callaghan 1976, Callaghan 1984, Jonsdottir & Callaghan 1988, 1990）。 Hutchings & de Kroon（1994）对克隆内分工进行了进一步的论述和总结。此后， Stuefer 及其合作者（Stuefer et al. 1994, Stuefer 1995, Stuefer et al. 1996）对环境诱导 的克隆内分工进行了详尽的实验生态学研究。近年来，环境诱导的克隆内分工已成 为植物生态学领域广泛使用的术语，并且被认为是克隆植物有效利用异质性环境的 行为对策之一（Hutchings & Wijesinghe 1997）。在对克隆内分工行为进行了较为全 面综述的基础上，Alpert & Stuefer（1997）给出了克隆植物的克隆内分工定义：相 互合作的分株为了更有效地获取不同资源（同时伴随着克隆内资源的相互交流）而 产生的形态与生理功能的协调特化（coordinated specialization） 。克隆内分工的潜在 利益是每一个分株都可以更高效地完成自己的特定资源获取任务。不利的方面是各 分株变得相互依赖，且必须合作。分工的两个基本要素是特化与合作。特化是指克 隆分株在生理或形态方面的结构与功能上的改变，这种改变能够增加其执行特定任 务的能力，但降低了所执行任务的多样性。而合作则是指克隆内各分株间互惠地交 换资源、物质和信息，即资源共享。

（二）克隆植物克隆内分工的实验检验 非克隆植物个体的生物量分配对环境资源水平的反应常常为趋贫特化，将相对 多的生物量分配给吸收较稀缺资源的营养器官；而克隆植物对异质性环境资源的反 应可能表现为趋富特化，将相对多的生物量分配给吸收较丰富资源的营养器官。克 隆植物的功能特化是通过生物量分配的可塑性、获取资源结构的形态可塑性和生理 可塑性实现的。克隆内特化分工主要包括由发育程序引起的分工和由环境诱导的分 工两种类型（Alpert & Stuefer 1997）。 许多冻原和高山克隆植物都具有由相同的发育程序所导致的克隆内分工。冻原

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和高山生境由于缺少树木的覆盖，因而光照强且相对均匀，但土壤养分含量较低且 空间变异很大。在这样生境中生长的克隆植物形成了地上部分与地下部分在发育上 的程序化分工。某些情况下分株一出生就产生了特化，而在另外一些情况下是在发 育过程中才产生特化的。例如，毕氏苔草的地上枝叶很少能活到4年，但根系和根 茎却能活12年以上（Callaghan 1976, Jonsdottir & Callaghan 1988, 1990）。这样相连 接的分株中，只有最近2－3年形成的分株才具有地上枝和叶，其余大多数分株都只 有地下茎和根（Jonsdottir & Callaghan 1989）；无枝叶分株的根茎和根能在相当大面 积范围内吸收资源，为有枝叶的分株提供养分，而有枝叶的分株则为无枝叶分株的 根茎和根提供光合产物，这些不同分株间的功能分工，有利于增加该植物在寒冷、 贫瘠生境中的适合度（Callaghan 1976, Jonsdottir & Callaghan 1988, 1990, Stuefer et al. 1996）。这种特化方式的两个显著特征是：（1）分株特化的发育与环境中的资源 丰富度无关， （2）无枝叶分株，与有枝叶分株相比，数量很多。发育程序化的克隆 内分工降低了基株的死亡风险，从而可使基株持久存在（Eriksson & Jerling 1990） 。 Charpentier & Stuefer（1999）在对莎草科植物Scirpus maritimus的研究中也发现了 与毕氏苔草相似的克隆内分工现象，从而为发育程序化克隆内分工提供了进一步的 佐证。 有许多文献证明了环境异质性诱导的克隆内分工的存在（ Salzman & Parker 1985, Friedman & Alpert 1991, Birch & Hutchings 1994, Stuefer et al. 1994, Stuefer 1995, de Kroon et al. 1996, Yu et al. 2002c, Alpert et al. 2003）。当克隆片断被放置在两 种资源互补的斑块状环境中时，片断内的每一个分株都为获取其所在位点处相对丰 富的资源而发生特化，而且这种资源是与之相连的分株所缺乏的。例如， Friedman ， & Alpert（1991）将海滩草莓的分株放置在光照和土壤氮素互补的斑块中（图 3-4） 当切断与其它分株的连接时，那些生长在光资源较丰富而氮素较少斑块内的分株就 会形成较高比例的根系，以便吸收贫乏的氮资源；但当它们与具有充足的氮素而光 照不足的分株相连时，生长在高光环境中的分株形成了较高比例的叶，特化吸收丰 富的光资源。Yu et al.（2002c）对金戴戴、鹅绒委陵菜和绢毛匍匐委陵菜的研究也 得到了与海滩草莓相似的结果，为克隆内分工提供了直接的证据。 Stuefer et al. （1996）将白三叶由四个相连分株组成的克隆片断分别种植在均匀环境（克隆片断 的四个分株均种植于低光照－高土壤水分或者高光照－低土壤水分的环境条件下） 和资源交互斑块性异质环境中（克隆片断的两个分株种植于低光照－高土壤水分条 件下，另两个与之相连的分株则种植于高光照－低土壤水分条件下）。生长 4 周后 发现，当克隆片断生长于异质环境时，处于低光照－高水分条件下的白三叶分株根 与叶的干重比率显著大于均匀环境中同样生长于低光照－高水分条件下的分株，而 与均匀环境中生长于高光照－低水分条件下的分株相似；同时，处于高光照－低水 分下的白三叶分株的根与叶的干重比率显著小于均匀环境中生长于高光照－低水 分下的分株，而与均匀环境中生长于低光照－高水分条件下的分株相似。 van

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Kleunen & Stuefer（1999）对鹅绒委陵菜的切断和阻断水分传输（steam-girdling） 的研究也发现，完全整合的分株为了吸收局部丰富的资源而发生了功能特化。

根

冠

根冠比（干重）

图 3-4 光和土壤无机氮交互 斑块环境下，沙滩草莓通过生 物量分配格局的可塑性而实 现的克隆内分工（引自 Alpert & Stuefer 1997）。 低氮－切断 低光－切断 低氮－连接 低光－连接

分株间合作是克隆植物中实现克隆内分工的又一主要条件。例如在完全干旱和 几近黑暗的情况下，海滩草莓单独生长的分株全部死亡，而连接的分株则全部存活， 说明分株间的互惠合作是非常重要的（Alpert & Mooney 1986）。然而，合作的可能 性受具体资源的限制，如欧活血丹，分株间潜在的氮、碳共享并不影响总的生物量 （Stuefer et al. 1994）。

（三）克隆内分工的适应意义与代价 研 究 表明 克隆 内 分工 可以 促 进基 株或 克 隆片 断的 生 长和 繁殖 （ Alpert & Mooney 1996, Stuefer et al. 1996, Stuefer et al. 1998）。特化吸收斑块内丰富的资源能 够极大地提高克隆植物整体对资源吸收的效率。从这一点上，资源互补斑块性环境 诱导的克隆内分工行为，将有利于整个克隆基株或克隆片断对异质性环境条件的利 用。但克隆内分工在带来利益的同时，也一定包含了代价和风险。克隆内分工的一 个主要风险是伴随特化程度的增加而产生的自我供给的减少。在克隆片断内，物理 干扰、病菌和克隆连接的衰老都能切断分株间的资源转移传递；当突然需要它们自 己供给全部所需资源时，趋富特化的分株将会比非特化分株承受更高的死亡率 （Alpert & Stuefer 1997）。

第四节 克隆生长与有性繁殖

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虽然克隆植物主要以营养繁殖为主，但是大多数克隆植物并没有完全放弃有性 过程，而是同时具有克隆生长和有性繁殖的能力（Eckert 2002）。但有性更新与克 隆更新的相对重要性在不同物种间和种内不同种群间都可能存在着很大的变异。高 度的克隆更新对种群内和种群间的遗传变异（Muirhead & Lande 1997） 、有效种群 大小（Eckert & Barrett 1992, 1995）、自然选择作用于种群的方式（Vuorisalo et al. 1997），甚至对物种地理分布范围的进化（Dorken & Eckert 2001）都会产生重要的 影响。目前对于克隆植物行为方面的研究已经相当深入，但很少有研究试图量化克 隆生长对有性繁殖的影响并揭示克隆植物有性繁殖巨大变异的进化原因和后果 （Eckert 2002）。因而，克隆生长与有性繁殖间相互关系的研究无疑将会是未来克 隆植物生态学发展的一个主要方向。

一、克隆植物有性繁殖的变异与丢失 克隆植物种群内克隆生长与有性繁殖间的变化很大，许多植物种群的性比率偏 离 1‫׃‬1 。在雌雄异株的苔藓类植物中，单性别种群和雄性稀少种群非常普遍。 McLetchie et al.（2002）模拟研究了雌雄异株克隆生物——地钱（Marchantia inflexa） 的局域种群动态，发现在轻微和中度干扰情况下，雌性个体逐渐排斥雄性个体；而 在严重干扰情况下，雄性个体逐渐排斥雌性个体。这种性比率动态格局与有性繁殖 体在斑块内是否萌发没有关系，但克隆繁殖确实可起很重要的作用。 Sculthorpe （1967）发现分布于欧洲的蔓生雌雄异株植物Elodea canadensis只有雌性植株。事 实上，与雌性相比，雄性个体通常具有较高的克隆扩张率，在克隆种子植物中这种 较高的雄性扩张率导致了种群趋于偏雄状态（ McLetchie & Puterbaugh 2000, McLetchie et al. 2002）。在一些水生植物中，也存在着性别严重失调的现象，如 Stratiotes aloides的雌性和雄性个体被限制在该物种欧洲分布区的不同地方，以至于 大多数种群不能进行有性繁殖（Hutchinson 1975, Preston & Croft 1997）。此外，克 隆植物的花、果实或种子产量、和实生苗更新等有性繁殖组分在不同种群间也存在 着巨大差异，尤其是在物种地理分布区的边缘（Dorken & Eckert 2001） 。例如，千 屈菜科植物Decodon vertivillatus的不同种群表现出相当大的花柱形态频率变异，单 型花柱种群的频率相当高，而且这些单型花柱种群大多分布在该物种地理分布区的 北界（Eckert & Barrett 1992）。计算机模拟表明，只有当一些种群的有性更新受到 严重抑制时才能出现这种较高频率的单型花柱种群。相对于南部的三型花柱种群， 北部单型花柱种群的有性繁殖组分都显著地下降（图3-5）。单型花柱种群平均每个 分株仅产生15粒种子，而三型花柱种群平均每个分株生产1139粒种子，而且，有一 半的单型花柱种群根本不产生种子（Dorken & Eckert 2001）。

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南

北

Log10(种子/果实 + 1)±SD

三型 单型

单型/三型 (%)

种群

花/枝条 花粉/ 柱头

花粉管/ 受精卵 座果率 种子/ 花柱 果实

种子/ 植株

有性繁殖的组分 图 3-5 美国新英格兰北部地理分布边缘 Decodon vertivillatus 种群有性繁殖的巨大变异。 上图表示的是平均每果实中的种子数及±标准差，是从一个种群中取 30 株植株、每株取 5 个果实计算得出的。下图表示北部单型花柱种群 7 个有性繁殖组分的总体平均值，是用 其占南部三型花柱种群平均值的百分数来表示的。(引自 Eckert 2002)。

大量的证据表明生物的和非生物的生态因子都能影响克隆植物的种子生产、萌 发、和实生苗更新。克隆植物种群在地理分布边缘地带种子生产的显著下降说明生 态因子通常是克隆植物有性繁殖变异的决定因素。但是，遗传因子也会导致有性不

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育，而且生态因子和遗传因子在进化历程中可能产生相互作用。Klekowski（1988a, 1988b）认为，遗传不育因子在克隆种群可能会由于生态因子首先抑制了有性更新 而被固定下来。换言之，生态不育可能为遗传不育的进化奠定了基础。 基株水平上永久性的遗传不育可能是由多倍化或其它染色体的不规则变化损 害了减数分裂而引起的（Stebbins 1971）。水生克隆植物中三倍体和其它不育多倍 体并不罕见，而且不育多倍体的发生与亲种往往无关，有时分布范围还极广（参见 Eckert 2002 及参考文献） 。同一物种的不同种群在有性育性上的巨大变异有时也是 由于倍性水平差异所致，例如，水生植物花蔺（Butomus Umbellatus）种群间的种 子生产与倍性水平表现出较强的协同变化；二倍体种群产生大量种子，但三倍体种 群只产生很少或不产生种子（Krahulcova & Jarolimova 1993, Eckert et al. 2000）。 遗传不育也可能是由于核或细胞质基因组突变损伤了有性繁殖的一个或多个 过程（Klekowski 1988a, b）。用来自于 Decodon vertivillatus 可育和不育种群中的植 物为实验材料，Dorken & Eckert（2001）发现即使在良好的温室生长条件下北方不 育种群的植株，与南方可育种群相比，仍然表现出种子生产的显著下降。这说明北 方种群野外观察到的、很低的有性繁殖能力具有遗传基础。更细致的数量遗传学实 验结果进一步证实遗传不育是由于一个或少数几个位点上的核基因突变所导致的 （Eckert et al. 1999）。 遗传因子和生态因子可能都对克隆植物不同物种之间或同一物种的不同种群 之间的有性繁殖的巨大变异产生了影响，但很少有工作试图评价基因和环境的相对 重要性（Eckert 2002）。Dorken & Eckert（2001）表明，尽管 D. vertivillatus 北部地 理边缘种群是遗传不育的，生态学因素也对种子生产的下降起到了作用。大多数北 方种群在温室环境中种子生产显著提高，而南方种群的种子生产在温室和在野外没 有什么区别。这说明北方种群的育性，除了遗传学因素之外，还受到了环境因子的 限制。对于某些种群来说，环境的影响还很强烈。目前我们还不知道是什么环境因 子制约了 D. vertivillatus 的种子生产。但种群生育力与纬度之间存在的强烈相关性 （Eckert & Barrett 1993, Dorken & Eckert 2001）提示我们，温度也许是一个重要的 因素。 关于遗传不育进化的当前流行假说是：有性的丢失是由于在有性更新受到环境 限制的种群中不育突变逐渐累积的结果（Klekowski 1988a, b）。常规的观点是，不 再对适合度有贡献的性状应该通过突变而退化，就像穴居动物的眼睛和色素那样。 这种“使用或丢失”（‘use it or lose it’）假说似乎可以解释 D. vertivillatus 种群有 性的丢失。在“使用或丢失”假说中有两个关键问题：（1）不育基因型在克隆种群 中是怎样产生的？（2）不育基因型，一旦已经出现，在种群中的频率是如何增加 的？对于前一个问题，在有性更新频繁但不是主要更新方式的种群中，不育突变的 出现和低水平的维持可以通过克隆增殖而实现（可能适用于大多数克隆植物）。当 有性更新下降到很低水平时，这些不育突变的频率就会上升。但是，目前还没有任

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何工作试图量化评估在克隆植物可育种群中出现的不育基因型频率（Eckert 2002）。 在有性更新完全受到抑制的种群中，显性不育遗传因子可以通过体细胞突变而 产生（Hutchinson 1975, Klekowski 1988a）。尽管体细胞突变在文献中的讨论很多， 但却很少有工作试图确定体细胞突变在克隆植物种群中确实导致了显著遗传变异。 在不育的多倍体植物中，有性繁殖的退化至少部分地是由于多倍性自身所致，而不 是因为体细胞突变的结果。 关于不育基因型频率如何增加的第二个问题事实上涉及到了任何残迹器官如 何退化的问题，一个目前争论很大的话题。残迹器官的退化目前主要有四个假说 （Eckert 2002） ：（1）中性突变，（2）资源再分配，（3）基因对抗多效性，和（4） 突变融解（mutational meltdown）。中性突变假说认为，引起性状退化的突变通过遗 传漂变和选择压力的减弱而被固定下来（Brace 1963, Wilkens 1988）。尽管遗传漂变 对单个突变的固定可能是一个很缓慢的过程，但复杂性状（如有性繁殖）由于受许 多位点的控制，为突变和漂变提供了大量的机会，因此可能会迅速退化（ Eckert 2002）。资源再分配假说认为，如果无用性状退化所释放出的资源被投资于那些增 加适合度的性状，那么不育突变的固定将会得到促进（Poulson & White 1969, Regal 1977）。例如，减少有性繁殖可能会增加营养生长、克隆生长或分株的存活。基因 对抗多效性假说认为，如果退化突变对其它增加适合度的性状也有影响，那么自然 选择可迅速增加退化突变在种群内的频率（Prout 1964, Wright 1964）。突变融解假 说认为，在有性缺失的条件下有害突变的累积（Lynch et al. 1993）造成了克隆种群 的有性功能障碍（sexual dysfunction） 。然而目前几乎没有任何实验数据可用来检验 这些假说（Eckert 2002）。

二、克隆生长与有性繁殖的权衡 生活史理论预测当前繁殖是以减少未来繁殖为代价的（Williams 1966） 。由于 向某一性状或行为投入过多，必然会减少对其它性状的投入，因此由于资源有限而 导致的权衡关系（参见第一章）被认为是生活史性状进化的普遍限制（Roff 1992, Stearns 1992） 。在理论上繁殖分配是直接的而且是可以测量的，但实际上由于可能 的资源分配方式很多而无法对其进行简单的预测和测量，而且个体内的资源分配经 常是等级式的，这种等级式的资源分配方式可能对遗传相关（genetic correlations） 和性状进化具有重要的影响（Worley et al. 2003） 。对于克隆植物，其适合度可通过 对有性繁殖和克隆生长的多种分配方式，或通过当前克隆生长与未来有性繁殖间的 多种分配方式，来实现（Westley 1993）。克隆植物在有性与无性之间的资源分配可 能随环境条件的不同而发生改变。变化的或有病原体存在的环境对有性繁殖有利， 而在稳定的环境中克隆生长可能具有优势（Ronsheim & Bever 2000）。不同的资源

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分配方式可能是克隆植物对不同环境的可塑性适应策略，但也有人认为是由遗传决 定的（Bostock 1980, Reekie 1991, Ronsheim & Bever 2000）。此外，克隆生长与有性 繁殖之间的最佳资源分配还随植物密度（Abrahamson 1975, Holler & Abrahamson 1977, Nishitami et al. 1999） 和植物大小（Hartnett 1990, Mendez & Obeso 1993, Sato 2002 ）而发生变化。尤其是个体大小常常用来解释种群内个体资源分配的变异 （Samson & Werk 1986）。大小依赖的资源分配格局在不同的克隆植物中可能不同， 因为不同物种间克隆后代的性状变异很大。例如，在植物的水平茎不再伸长的情况 下，产生的子株紧密地生长在一起；随着子株数量的增加，相互间的竞争加剧，因 此植物会将大量的资源用于种子而不是子株生产（Iwasa 1990）。资源在根茎、分株 和种子间分配的大小依赖格局随密度以及种子与分株的相对定居概率等情况而变 化（Sakai 1995）。 然而并不是所有的植物在其生活史策略中都表现出权衡关系。 Eckert et al. （2000）对水生植物花蔺（Butomus umbelatus）的研究发现，有性繁殖与克隆生长 间不存在着权衡。Weis et al.（1987）发现，在菊科一枝黄花属植物 Solidago altissima 中也不存在着直接的有性繁殖与克隆生长间的权衡关系。权衡关系的出现取决于可 获取的资源量，只有当营养非常有限时，才会出现强烈的资源分配权衡关系 （Reznick 1985, Biere 1995）。因此，克隆植物有性育性的丢失是否与克隆生长增强 有关，这种关系多大程度是由于资源与遗传间的权衡所致，至今尚不是很清楚，有 待于进一步的实验工作。

三、克隆生长对植物交配的影响 等位酶和分子标记技术的发展及其在植物种群生物学中的广泛运用（参见第十 章）已经很好地说明了克隆生长对基株大小和种群结构（即基因型数量和空间分布） 所具有的重要影响（Kudoh et al. 1999, Pornon & Escaravage 1999）。通过影响基株个 体的大小和空间分布，克隆生长可能会严重地干扰花粉散布格局，并因而影响着各 个植株的交配机会。克隆生长导致克隆内花粉传递增加，阻碍了基株的花粉向外散 发，降低了不同基株间的交配机会（Handel 1985），却增加了同株异花授粉和分株 间授粉的可能。同株异花授粉能够导致自交亲和与自交不亲和植物的雄性和雌性适 合度代价（参见第二章）。

（一）克隆生长对交配格局的影响 1. 个体大小 克隆生长在种群内产生许多遗传斑块，这些斑块可能有多种后果（ Eckert

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2000）。一般认为，同株异花受粉率随个体大小（或同时开放的花数）而增加（第 二章），因此基株大小对植物交配系统有重要的影响。克隆生长增加了开花枝数从 而增大了花展示，大的花展示能够吸引更多的昆虫传粉者，增加了交配机率 （Thompson 2001），但也可能因此增加了同株异花受粉率（Handel 1985） 。例如自 交亲和的风媒植物 Carex platyphylla，花粉散布主要局限在几十厘米内，自己的花 粉沉积在自己柱头上的比例随克隆系大小（克隆面积）的增加而增大，并从异交占 优势向自交转变（Handel 1985）。Wilcock & Jennings （1999）对自交不亲和植物 北极花（Linnea borealis）的研究发现，种群内最大克隆斑块的种子结实率较低， 其原因可能是由于缺少亲和花粉所致。对于自交亲和的克隆植物，自交花粉包括自 花的花粉、同一分株上不同花的花粉和不同分株的花粉。例如，变色鸢尾（Iris versicolor）的自交主要是不同分株间的同株异花授粉所致（Back et al. 1996）。千屈 菜科植物 Decodon verticillatus 自花授粉仅占全部自交的 18%，其余的 82%是发生 在分枝内、分枝间和分株间的同株异花授粉（Eckert 2000）。Vange（2002）发现川 续断科植物 Knautia arvensis 的自交机制主要是同株异花授粉，其自交后代存在着 明显的近交衰退现象。这些研究表明聚集型的克隆植物具有较高的同株异花授粉 率，因而可能有适合度下降的风险，但这些研究并没有直接测量克隆生长（开花分 株数量的增加）对自交率的影响，而且把自交进一步细分为不同的组分是一件非常 困难的任务（例如，很难区分分株间自交和双亲近交），必须把受控实验和遗传分 析结合起来。多态性很高的分子标记技术（如 AFLP、SSR 和 SNPs 等，见第十章） 的发展可以帮助我们解决这个难题。 探讨克隆生长对交配格局的影响必须考虑不同物种之间所存在的克隆构型变 异（Charpentier 2002）。克隆构型决定了分株的空间分布方式，即不同基株的分株 是混杂在一起，还是相互分离开来，决定了同株异花授粉发生的可能性。需要更多 的实验研究来量化比较不同克隆构型（聚集型和混合型）对同株异花授粉率的影响。 例如，我们可以人为地实验操纵基株的空间分布方式（相互分离的与均匀混合的）， 然后测定分株的异交和自交率。 尽管较大的花展示造成了同株异花授粉及其相伴的适合度下降，但它可以增加 对传粉昆虫的吸引力，并因此增大了交配机会。为了精确地估计克隆生长对吸引传 粉者的作用，我们需要区分两个尺度上的花朵聚块性，即每个分株开放的花数（如 花序大小）和每个基株（个体大小）开花的分株数。对于克隆灌木 Jasminum fruticans， Thompson（2001）发现，一个枝条所接受的昆虫拜访次数和斑块内（也许仅是一 个基株）开花数量正相关，但和花序大小没有任何关系。这个工作清楚地说明了克 隆生长在传粉者吸引中所扮演的重要角色，尤其是当交配机会非常有限的时候（如 孤立的植株）。 2. 种群密度

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即使在同一个物种内，不同种群的异交率也往往变异很大，其原因亦通常归结 为生态学因素的影响，如种群大小、种群密度、种群孤立程度以及传粉者行为等（第 五章）。在非克隆植物中，种群密度可以显著地影响传粉者的活动范围：植株之间 的距离越短越有利于异交。对于克隆植物开展的几项研究说明，克隆植物的基株密 度对交配格局也有类似的影响。例如,雌全异株草本植物欧活血丹，其基株通常呈 斑块状分布，雌性克隆的结实率随到花粉源（即两性克隆）距离的增加而下降（Widen & Widen 1990）。Eriksson & Bremer（1993）发现自交不亲和植物，石生悬钩子（Rubus saxatilis），其孤立斑块的基株结实率与到最近开花斑块的距离呈负相关关系。这些 工作都说明，种群密度的增大（即克隆间距离减少）增加了异交率。然而，这些研 究结论都是根据对几个离散单克隆斑块组成的种群的研究得出的。事实上，在许多 克隆植物中，基株之间并不是相互分离的，而是交互地缠绕混合在一起。这时，许 多克隆斑块组成一个大斑块，而若干大斑块又组成了一个种群。在这种情况下，我 们预期传粉者在种群内的活动范围将受分株间距离（分株密度）——而不是基株密 度——的影响。尽管如此，斑块内基株的空间分布，虽然不会影响传粉者的活动， 但仍然会改变交配格局。基株的混合分布能够促进异交，因为它增加了邻近分株隶 属于不同基株的概率（Charpentier 2002）。 3. 种群大小 影响交配格局的另一重要因子是种群大小。种群内的个体数量对植物交配可能 具有两个方面的影响。首先，小种群对传粉者的吸引力不大，因而可能会面临着授 粉不足的问题。当然，克隆植物的营养增殖方式可以使得种群内若干个体增加开花 分株数，产生较大的花展示，这样部分地补偿了小种群对传粉者缺乏吸引力的负面 影响。其次，自交不亲和的小种群极有可能由于异交花粉量的不足（配偶数量少或 者遗传漂变引起的不亲和类型的丢失）而面临着结实率下降的问题（Byers 1995, Charpentier et al. 2000）。克隆植物的种群大小通常变化很大，极端的情况是一个种 群仅由一个基株构成（Eckert & Barrett 1993），因而有性繁殖的成功率也将会受到 很大的影响。 Wolf & Harrison（2001）研究了生境面积和斑块隔离度对加拿大北部海岸地区 田旋花科打碗花属植物 Calystegia collina 繁殖成功的影响。该物种基本上是自交不 亲和的。通过对 16 个小裸岩和 7 个大裸岩生境的比较研究发现，大裸岩生境中的 植株其开花数和结实数都显著高于小裸岩生境；传粉成功率明显受开花密度和斑块 周围 100m 范围内开花斑块数量的影响，表明生境大小通过增加了有性繁殖成功的 机会而强烈地影响着繁殖成功。但也有研究发现种群的大小与种子生产之间无相关 性（Aspinwall & Christian 1992）。

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（二）同株异花授粉、克隆构型与交配系统 同株异花授粉对交配系统具有重要影响（第二章）。但是，鉴定哪些性状可以 有效地降低同株异花授粉率却是一个非常困难的任务。首先，许多性状都可以起到 降低同株授粉的作用，包括花的形态（如异长花柱） 、开花物候（如同步雌雄异熟）、 繁育系统（如雌雄异株）和自交不亲和等。其次，这些性状的有效性也不同；鉴于 同株授粉对雌雄功能均有影响，对各个性状有效性的评估必须分别针对两个性别单 独地进行。例如，自交不亲和通过阻止自交而避免了同株异花授粉的雌性功能适合 度代价，但并不能防止同株异花传粉导致的雄性适合度下降（花粉贴现，见第二章）。 因此，植物经常具备多重机制阻止同株异花授粉及其产生的有害效应（Harder & Barrett 1995） 。克隆植物的研究尤其对评估同株异花授粉在交配系统进化中的作用 大有裨益。 克隆生长并非一定会增加同株异花授粉的水平，取决于克隆构型是哪种形式， 或者说种群内基株空间分布的离散程度（Handel 1985, Silander 1985）。克隆生长形 成不同的克隆构型，这些构型可能导致对阻止同株异花授粉性状的选择。考虑到同 株异花授粉的交配代价，具有聚集构型的克隆植物（单克隆斑块）应该表现出阻止 同株异花授粉的性状或性状组合，而松散的游击构型则可能是克隆植物在增加基株 花展示大小的同时避免或减小同株异花传粉风险的策略之一。然而文献中尚未见到 有关这方面研究的报导（Charpentier 2002）。 分析克隆生长与同株异花授粉代价间的关系需要考察不同性状对减少同株异 花授粉雌雄交配代价的有效性。例如，很少有人试图确定同一基株所有花之间雌雄 异熟的同步化水平。通过对不同类型克隆构型的比较，我们可以找出克隆植物繁育 系统和花部性状分布的规律，例如，聚集构型的克隆植物是否比混合构型的克隆植 物 表 现 出 更 多 的 阻 止 同 株 异 花 授 粉 的 性 状 （ Eckert 1999, Eckert et al. 1999, Charpentier 2002）。通过决定开花单元的空间配置，克隆生长可以对交配系统的进 化施加影响；反过来，克隆构型也可以看成是调节同株授粉率的一个性状。克隆生 长是一个多功能的性状，它包含了关于个体存活的几个功能，如资源摄取、储存和 锚定。因此，克隆生长方式（如匍匐茎、根茎、块茎、片断化等）的不同可导致不 同的克隆构型，而不同的克隆构型又导致了阻止同株授粉性状的进化。对于任何一 个克隆生长方式，交配的代价可能对某些影响基株空间分散程度的性状（如匍匐茎 长度）施加选择压力。

第五节 克隆植物的遗传多样性

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影响植物种群遗传结构的因素主要包括物种的遗传变异水平、繁育系统、种子 散布机制以及小生境水平上的自然选择等（Hamrick & Loveless 1986）。克隆生长作 为一种较为特殊的植物生长繁殖模式，对物种的遗传多样性和种群遗传结构有着重 要的影响（Ellstrand & Roose 1987）。在克隆植物中，克隆生长形成分株聚合群，这 些聚合群在种群中又形成二级聚群。这种分布格局直接或间接地与种群遗传变异的 空间格局有关。当同一基株或不同基株的分株间的竞争作用和生长策略影响到种群 的空间克隆结构时，聚集分布格局就会对种群遗传变异的空间格局产生直接影响。 当这种聚集分布影响到交配机会（Widen & Widen 1990）、后代质量（Trame et al. 1995）和疾病传播（Schmid 1994）时，就会对种群遗传结构产生间接影响。 克隆植物种群中存在着两种水平的变异——基因型变异（genotypic variation） （即基株个体的数量和频率）和遗传变异（genetic variation）（即等位基因的数量 和频率以及杂合度等）。一个基因型变异水平较高的种群，其遗传变异必然很高， 但由少数几个高度杂合的基株个体所构成的种群也可能具有较高水平的遗传变异 （Mclellan et al. 1997）。

一、克隆植物的遗传多样性水平 长期以来，人们一直普遍认为克隆生长将会导致种群内基因型变异和遗传变异 的下降（Mclellan et al. 1997）。但近年来随着分子遗传标记技术的发展，运用等位 酶、RAPD、AFLP 和 ISSR 等技术对克隆植物种群遗传多样性水平的研究发现，克 隆植物的遗传多样性水平并不象预期的那么低，一些克隆植物种群具有较高的遗传 多样性（Ellstrand & Roose 1987, Falinska 1995, Mclellan et al. 1997, Kudoh et al. 1999, Stenstrom et al. 2001, Xie et al. 2001, 陈小勇等 1997） ，而且不同的克隆植物种群遗 传多样性水平有较大差异。例如，Kreher et al.（2000）运用 RAPD 标记对长蕊越桔 （Vaccinium stamineum）的遗传多样性进行了研究，发现长蕊越桔种群内遗传变异 水平较高，在 22 个取样斑块所采集的 99 个个体中共检测到了 67 个特异性扩增片 断，其中 91%的斑块包含一个以上的基株，32%的斑块基因型各不相同，可辨认基 因型比例为 0.68。Sipes & Wolf （1997） 对夹竹桃科植物 Cycladenia humillis var. jonesii 7 个种群的等位酶分析发现，各种群都是由多个相互交叉混合的克隆所组成的，且 在种群和物种水平上都表现出较高的遗传多样性。Jonsson et al.（1996）对毕氏苔 草的等位酶分析也发现了高度的克隆多样性，各种群的基株数在 41-45 个之间（分 析个体数为 85-88 个）。 与上述研究相反，也有一些研究发现克隆植物种群的遗传多样性水平较低。例 如，紫菀科根茎植物 Wyethia reticulata，其种群仅由少数几个很大的基株组成，种 群内遗传多样性水平较低，而与其同属的 W.bolanderi 种群则由几百个大小相近的

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基株组成。W.reticulata 与 W.bolanderi 相比，不但遗传多样性低而且遗传结构也发 生了变化（Ayres & Ryan 1999）。Li & Ge（2001）对中国北部 7 个沙鞭种群通过 ISSR 分析发现，物种水平的多样性程度相当高，有 70.5%的扩增片断为多态片断，但种 群水平的多样性却相对较低，多态片断的百分比仅为 6.1-26.8%。分子变异分析表 明大部分遗传变异（87.46%）来自种群间，仅有 12.54%的遗传变异源于种群内个 体变异。Les（1988）对 33 种海草电泳资料的总结也得出了相同的结论，在 245 个 同工酶位点中只有 8 个是多态的，其它位点都是单态的，而且在大部分海草中即使 相隔很远的地理种群间也不存在同工酶变异。王可青等（1999）对根茎植物沙鞭的 等位酶分析也得到了相似的结果，沙鞭的大部分变异存在于种群间（Gst=62.16%） ， 种群内的变异所占的比例较少；沙鞭 91.67%的基因型属于地方型，无广布基因型。

二、克隆植物的种群遗传结构 克隆植物种群的空间遗传结构主要是由种子和花粉传播的限制、小斑块生境隔 离、死亡率差异和微生境选择等因素所决定的。不同克隆植物种群的遗传结构差异 很大，一般认为克隆植物种群的遗传结构有两种类型：一种类型是克隆种群由一个 或少数几个克隆组成，各种群间的克隆基因型相差很大，某种基因型的克隆仅分布 于一个或少数几个种群（Janzen 1977, Eckert & Barrett 1993）。另一种类型是克隆植 物种群是由多克隆组成的，克隆种群也可象有性种群那样具有基因型多态性（Price & Waser 1982, Lynch 1984） 。目前克隆植物遗传多样性研究多数认为克隆植物种群 是多克隆的（Ellstrand & Roose 1987, Hamrick & Golt 1990）。 种群内基株的数目取决于现存基株的分株动态和由种子更新产生的新基株数 目（Mclellan et al. 1997）。例如，Escaravage et al.（1998）分析了杜鹃花科植物 Rhododendron ferrugineum 种群的克隆多样性，在 10×20m2 的面积内共检测到 32 个基因型，克隆大小变化范围从小于 1.5m2 到 27m2，基本上是一种密集型策略者 （Pornon & Escaravage 1999）。Chung et al.（2000）运用等位酶和空间自相关统计 方法检验了 Rhus javanica 两个种群的克隆结构和等位酶多态性的空间分布，发现 两个种群都保持着中等水平的等位酶变异，但多位点基因型的多样性水平较高。 R.javanica 在所研究的种群中表现为游击型的生长策略。但基株的空间结构并不是 恒定不变的，而是随着现有基株的扩张和新基株在种群内定居而不断发生变化。在 缺少有性更新的情况下，长寿命的基株可能会逐渐在大面积的单一生境中占优势 （Mclellan et al. 1997）。例如黑厥（Pteridium aquilinium），据报道它的一个基株可 扩张到一公里以上，其寿命达 1000 年以上（Parks & Werth 1993）。Steinger et al. （1996）对瑞士阿尔卑斯山 Carex curvula 进行的遗传分析发现，C. curvula 的一个 基株大约由 700 个分蘖组成，寿命约 2000 年以上，但覆盖面积仅 1m2。最突出的

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例子是 Populus tremuloides 的一个基株，覆盖面积 43 公倾，包含 47000 多个分株， 年龄可能达到了 1 百万年（Mitton & Grant 1996）。 与非克隆物种相比，克隆植物的遗传结构发生了一定变化。特别是当种群间基 因交流存在较大障碍时，其种群间遗传变异占总遗传变异的比例增加，种群内的遗 传变异水平有所降低，这在专性克隆生长的植物中尤为明显。一些专性克隆植物， 其种群间的遗传多样性远远高于种群内的遗传多样性（Ge et al. 1999）。只有少数基 株组成的克隆植物种群可能会经历遗传漂变和近交等遗传学过程（Ellstrand & Elam 1993），造成遗传变异丢失和近交衰退等负面影响（Wright 1965）。与基株数量无关 的基株空间分布，也可能会对物种的有性繁殖和交配系统产生重要影响。例如，动 物传粉者常常在相邻近的个体间传递花粉，如果一个种群是由很少或几乎没有交错 的较大克隆斑块组成，那么传粉者将很少在基株间进行传粉（Handel 1985）。如果 这个物种还是一个遗传决定的不亲和系统，那么有性繁殖可能会受到强烈的抑制， 因而可能会增加种群灭绝的风险。

三、克隆植物遗传变异的产生与维持 在稳定的种群或生境中，个别基株的成功（success）或随机漂变作用产生的任 何差异都会导致种群内一个或少数基株占优势，或基株数量随时间而减少 （Watkinson & Powell 1993）。因此，面临着倾向于减少种群遗传变异的确定和不确 定因素，克隆植物种群一定存在着保持遗传变异的机制（Mclellan et al. 1997）。虽 然对克隆植物遗传多样性研究的结果有很大差异，大多数研究都认为克隆植物具有 较高的遗传多样性（但参见 Eckert 2002）。 克隆植物的遗传多样性起源可能是由于历史原因（Maki et al. 1999），即克隆植 物种群是多起源的，现在的克隆植物种群是由多个不同的基因型个体建立起来的， 因而能够保持较高的多样性水平；或者在克隆植物种群发育的某一阶段发生过幼苗 更新，其残余的遗传多样性也会较高（夏立群等 2002）。对于兼性克隆植物，遗传 多样性水平还与有性繁殖与克隆生长的相对比例有关。有性重组提供了可供自然选 择作用的遗传变异，变异产生的新的有利基因型通过克隆生长可迅速占领某个地区 （Silander 1979），从而补充了因克隆生长而降低的遗传多样性，提高了种群内的遗 传变异水平并降低了种群间的差异（Kirsten et al. 1998）。此外，尽管克隆植物种群 可能仅由少数大的基株组成（Mitton & Grant 1996），但中性突变率在克隆植物和非 克隆植物种群中一般是很相似的（Ellstrand & Roose 1987, Mclellan et al. 1997）。体 细胞突变可能使以无性繁殖为主的克隆植物种群产生额外的遗传变异（Klekowski 1984）。遗传瓶颈、奠基者效应和遗传漂变对克隆植物种群遗传多样性的产生和维 持也起了很重要的作用（王可青等，1999）。有证据表明，只要有少量基因流或突

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变发生就可维持种群的遗传变异（Ellstrand & Roose 1987）。 环境的空间异质性也是维持克隆植物种群基因型变异和遗传变异的机制之一。 生境特化可使不同的克隆占据着不同的微生境，从而在无有性更新的情况下保持较 高水平的克隆多样性（Mclellan et al. 1997）。例如 Skalova et al.（1997）发现，克 隆植物紫羊茅（Festuca rubra）种群存在着大量的遗传变异，而且根茎构型随着红 光与远红光的比率变化而表现出了明显的基因型与表型的互作，说明克隆植物能够 通过生境选择寻适合的微位点产生遗传变异。

第六节 结论与展望 自从 Harper（1978）的论文发表以来，国际上有关克隆植物生态学的研究已经 取得了多方面的进展，并成为当今植物生态学研究的热点之一。在过去的几十年里， 尤其是克隆植物行为生态学取得了相当大的进展，如克隆觅食行为、克隆整合和克 隆内分工的概念与理论的提出和实验验证等。人们已经构建了克隆植物觅食行为模 型与理论框架，定性地研究了克隆分株间为了生长和生存而进行的资源转移的重要 性。整合与相连分株间的相关行为在竞争和密度调节情况下的作用也已经得到了相 当多的关注。这些研究使我们能更好地理解：什么是克隆生长以及实现克隆生长的 各种形式；克隆结构的形态发生过程是遗传与环境互作的结果；克隆植物对异质性 环境可塑性反应的生态适应对策（de Kroon & van Groenendael 1997）。然而上述理 论和研究结果都是在人为控制实验条件下取得的，而且各个行为方面的研究都是独 立进行的，几乎很少有研究野外条件下的克隆觅食行为、克隆整合与克隆内分工。 因此未来的研究方向应注重发展克隆植物行为研究的野外实验检验方法，并在研究 过程中把各种行为有机结合起来，探索克隆植物各种行为的遗传因素，从而可以更 好地理解克隆植物行为的生态与进化意义。 在克隆植物行为研究取得了瞩目的成就的同时，人们却相对忽略了对克隆植物 有性繁殖生态学的研究。尽管植物生态学家很久以来就已经认识到许多植物同时具 有有性繁殖和克隆生长，两种繁殖方式间的平衡在不同物种间和同一物种的不同种 群之间变化很大，但是很少有人试图研究克隆植物种群间有性变异的范围，并确定 这些变异对克隆植物的进化、遗传和生态方面的影响（Charpentier et al. 2000, Eckert et al. 2000, Dorken & Eckert 2001, Eckert 2002） 。克隆生长对有性繁殖可能具有许多 后果，未来有关克隆植物繁殖生态学的研究应着重于以下几个方面：（1）克隆植物 有性变异的进化后果；（2）有性变异怎样影响克隆植物的局部适应和地理范围的进 化；（3）克隆植物有性不育的进化机制，以及有性育性的丢失是否与无性生长、生 存和克隆繁殖的增强具有某种联系？这种联系多大程度是由于资源权衡，多大程度 是由于遗传间权衡？（4）不同克隆生长型对交配系统的影响，或具有不同繁育系

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统的克隆植物是否具有不同的生长型？ 参考文献

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第四章

防御

任明迅、曾艳飞、张大勇 由于植物在生态系统中的生产者地位，以及固着生长的特性，它往往要面对着 比其它生物更大的捕食压力。然而，世界仍然是绿色的（Hairston et al. 1960, Hartley & Jones 1997），植物和植食动物几乎占据了地球所有生命形式的 50％（Coley 1999）。植物没有全部成为植食动物的腹中美食。实际上，陆地生态系统的每年净 初级生产大约只有 10－20％被植食动物消耗（Bazzaz et al. 1987）。许多植食动物， 尤其是昆虫，具有极高的繁殖潜力，并且经常可以达到很高的密度，造成植物去叶 （defoliation） 、生长和繁殖下降以及死亡率增高。这种情形在农业和林业的单作中 尤其明显，但在自然生态系统中，植食动物的爆发却比较罕见。 陆地世界是绿色的，这并不是一个天经地义的结果，因为水体世界就不是绿色 的：在水生生态系统中，浮游的和底栖的植食动物消耗了 80％ 以上可利用的初级 生产（Hartley & Jones 1997）。事实上，对于水生系统，我们更应该关注的问题是 植物的爆发问题，而不是植食动物的爆发（Hartley & Jones 1997）。 为什么植物在面临植食动物强大取食压力下仍然有相当一部分的生物量没有 被吃掉呢？答案可能是多方面的，但其中一个非常重要的因素是植物对植食动物的 防御能力（Bazzaz et al. 1987, Hartley & Jones 1997, Lehtila 1999） 。由于植物的内在 属性与其它生物大不相同，植物的防御不仅涉及到复杂的物理结构和体内化学物质 的合成、转移，常常还涉及到特异性生理反应和基因的表达与调控，是植物生活史 对策的一个重要方面（Augner 1994, Tiffin 2000b, Pavia et al. 2002）。植物的防御塑 造了植物的基本生理特性，甚至对植食动物的生活史也有着重要影响（Zangerl & Nitao 1998, Leather & Awmack 2002, Stinchcombe 2002, Villalba et al. 2002）。近年来， 植物防御受到了人们普遍关注，对植物防御对策的最优化理论分析、抵抗与忍耐的 权衡、植物防御与植食动物的协同反应、植物通讯以及生态学抵抗等方面成为热点 （Tuomi et al. 1999, Wilf & Labandeira 1999, Juenger & Lennartsson 2000, Rausher 2001, Leather & Awmack 2002, Lerdau 2002, Scheirs & De-Bruyn 2002, Stinchcombe 2002, Villalba et al. 2002, Dicke et al. 2003, Stamp 2003a, b, Zangerl 2003）。 植物的防御大体上可分为两大类：预防性的抵抗（resistance）和受伤后补救性 的忍耐（tolerance），前者是尽量避免植食动物的伤害，而后者是把植食动物伤害造 成的损失降到最低水平。现有的研究中，有关牧草和农作物的实验研究几乎都是针 对农作物受到微生物或植食动物伤害之后的忍耐反应（Strauss & Agrawal 1999）；

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而对自然植物的防御研究则主要着眼于抵抗这个层面。大部分研究都没有详细区分 防御的这两大类型，要么忽视两者的差异而统称为防御，要么人为地把前者称为防 御，把后者称为忍耐。不管以前的工作如何忽视、割裂了忍耐与抵抗两者的联系， 近年来的发展趋势还是注意到了二者在生理学和生态学上的联系以及本质上的统 一（Fineblum & Rausher 1995, Mauricio et al. 1997, Lehtila 1999, Strauss & Agrawal 1999, Juenger & Lennartsson 2000）。 从防御机制来进一步细分，抵抗还可以分为物理学、化学、生态学和诱导抵抗 （induced resistance）等 4 种主要方式；忍耐机制包括以下几个方面，即受伤后的 快速生长、剩余组织更有效的资源吸收与利用、植物体内储藏物质的利用、物候变 化、植物生长构型的改变等（Lehtila 1999, Tiffin 2000b）。下面我们先简要介绍一下 各种抵抗防御方式，然后从最优资源分配和进化稳定对策（ESS）的角度分析植物 防御对策的进化。

第一节 形形色色的抵抗 一、 物理抵抗 植物的物理抵抗防御主要是指通过外形、颜色上的特化，或一定的物理结构与 运动来避免微生物和动物的接触、啃食与破坏的现象。

（一） 营养器官的物理抵抗 植株外形的许多特点都与抵抗外界逆境和捕食有关。角质层、蜡质以及厚实的 树皮能有效阻挡病菌以及小型昆虫的伤害。石竹科的瞿麦（Dianthus superbus）和 我们熟知的桃（Amygdalus persica）茎的中上部有许多黏液，使得想高攀的昆虫无 法前进，甚至被困死。刺是植物中最为常见的保卫武器，可以有效阻止其它动物的 靠近，防止对植株的伤害。而且在不同植物中，刺的来源也不尽相同。有的刺从叶 变态而来，如仙人球、小檗；酸枣和刺槐的刺则是变态的托叶。有的刺由表皮细胞 特化而来，如蔷薇和悬钩子的刺。有的刺则是变态了的茎，如山楂、鼠李。刺有着 不同来源，这一事实也证明了抵抗在塑造植物形态和生活史中的重要作用。 让动物垂涎三尺的幼叶、嫩芽等幼嫩部位无法生长坚硬的刺，外形也难以特化， 常常成为植株营养器官中最易受到伤害的部位。茸毛和香毛簇（trichomes）是这些 部位常见的防范措施。细密的茸毛可以缓冲压力，阻碍毛虫蠕动。荨麻科 （Urticaceae）植物的刺毛（seta）是隐藏在叶背面的武器，它是一种由表皮细胞延

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长而形成的腺毛，基部是能制造、分泌毒汁的毛枕，前端有内空的毛管。禾本科植 物也许是最能耐受有蹄类动物采食的草本植物。其分升组织和生长点位于地面，并 有叶鞘保护，叶缘上的齿和叶片中坚硬而不可口的硅都是防御植食动物侵犯的有效 手段。 不少植物还可以通过积极主动的反应来避开危险。郁金香的鳞茎在土中能逐渐 深入土底，从而躲过动物的刨食，也躲过了冬季的严寒。这种运动来源于鳞茎下方 有收缩功能的根系。我国南方的蝶形花科植物跳舞草（Desmodium gyrans）的复叶 能够自主抖动，这种运动不同于风吹作用下的被动运动，是在植物自身能量支持下 的适应性运动（杨言 2003）,使得一些胆小的植食动物避而远之。它的这种运动来 源于对声波非常敏感的线形小叶。在气温不低于 22℃时，特别是在阳光照射下， 受到声波刺激时的叶片可不断上下摆动。 拟态也是植物中常见的物理抵抗方式。这令埋头于动物界的拟态研究者一度惊 奇过。一旦他们把研究拟态的注意力从动物（主要是昆虫）转移到植物身上时，将 会更加惊奇地发现植物远比人们愿意承认的要聪明得多。最为人熟知的植物拟态也 许就是稗草（Echinochloa phyllopogon），它与水稻外形一样，唯一差别只是叶基部 叶舌（ligule）的有无。这种从人类栽培水稻时开始进化的拟态同时也证明了植物 拟态的迅速进化。Xanthium trumarium 的茎和枝条的表皮以及叶柄有着许多黑斑， 大小和外形都与蚂蚁（Formicidae）相像。Arisarum vulgar 的叶柄和花序梗也有着 相同的黑斑（Lev-Yadun & Inbar 2002），可以起到恐吓其它蚂蚁和一些植食动物的 作用。类似的，Alcea setosa 的茎干也覆盖着看似蚜虫的黑斑点（Lev-Yadun & Inbar 2002）。非洲干旱地区的一种番杏科植物圆石草（Lithops turbiniformia，又名石生花） 其两片肥厚肉质的叶片呈圆石状，往往还有斑点，与周围环境中的石块极难辨认 （Barrett 1987）。棕榈（Reinhardtia gracilis）叶则有着不规则的齿状叶缘和孔洞， 这是通过模拟被啃食过的叶片来达到避免植食动物啃食的目的 （http://www.ebiotrade. com/newsf/readnews.asp?recordno= L20028139108）。 植物营养器官的物理抵抗主要是防止来自外界的机械伤害。这种机械伤害不仅 来自植食动物，也有可能是自然环境的“天灾” 。对于固着生长的植物来说，营养 体的物理抵抗是其得以存活的重要前提，是植物防御的基础（营养体的抵抗实际上 也在很大程度上阻止了植食动物对植株其它部位如繁殖器官的伤害），也是植物生 理活动的基础。

（二） 繁殖器官的物理抵抗 由于对适合度的贡献不同，同一植株上不同部位可能具有不同的防御水平。而 最终决定着适合度高低的繁殖器官的防御水平一般应比营养器官更高一些 （Rhoades 1979, Bazzaz et al. 1987, Pavia et al. 2002） 。在营养器官没有防御的植物

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中，其果实和种子也会有着不同程度的防御。繁殖器官的防御不仅是植株特定器官 的一种防御，还涉及到复杂的资源分配以及生活史对策等问题（Bazzaz et al. 1987, Tiffin & Rausher 1999, Pavia et al. 2002, Weinig et al. 2003）。 壳斗科（Fagaceae）的特征——壳斗（cupule）是由总苞发育而来的、包裹坚 果的保护器官。壳斗非常坚硬，某些种还长有鳞片和刺。如栗属（Castanea）植物 的总苞完全封闭、并密生针状长刺。松柏类裸子植物（Coniferopsida），其大孢子 叶球上密合的种鳞在花后增大并木质化，外露部分增厚成鳞盾（apophysis）保护种 子。刺果（bur）上的钩、倒刺等防御附属物也是坚果常见的物理防御。 许多植物种子的散布依赖于动物对其果实的采食，所以果实在种子成熟后便要 卸下武装，此时种子的防御便显得很有必要。能抵挡胃液侵蚀、免遭消化的坚硬的 种皮或特化的内果皮几乎是所有种子的防御手段，如核桃、桃、杏等。某些植物种 子有着拟态的防御方式。俄罗斯的亚麻地里经常出现亚麻芥（Camelina sativa），这 种植物株形虽然与亚麻近似，却不是因为拟态产生，而是环境使然。亚麻芥的种子 与亚麻种子成熟时间一致，且在扬谷器扬播下与亚麻种子都被吹到相同距离的地 方。因此，即使两种植物种子看起来有着些微区别，但也很难分开（Lehtila 1999）。 种子的其它诸多特性，如种子的后熟和休眠，得以进化维持的一个重要原因也是防 御。可见，防御策略不仅本身就是生活史对策的一部分，也对其它植物生活史特征 有着深刻的影响（Lehtila 1999）。 间歇性的大量结实（masting）也被视为某些植物的一种防御方式，如竹子 （Janzen 1976）、山毛榉（孙儒泳 2001）等。这些植物在间隔的某些年份大量结实， 而在其中间的年份很少结实或根本不结实。这种大量结实年份的间隔期常常是波动 的，且极为漫长，在竹子中甚至可以长达 100 年以上。而一旦结实，在数百公里的 范围都能同步开花、结实（Janzen 1976），保证实现捕食者的饱食。这方面的内容 我们已经在第一章的第四节中进行了较为详细的介绍。 花需要吸引正确的传粉者，但也常常吸引了一些只撕裂花被、掠夺花蜜而无助 于传粉的掠夺者昆虫（robber insect）。因此，花部防御也十分必要。Paspalum paspaloides 中的黑色花药不管是大小，还是形状和颜色都与蚜虫（Homoptera aphidoidea）十分神似，即使是风中摇晃的姿势都像是旋转的蚜虫（Lev-Yadun & Inbar 2002），这是繁殖器官拟态的抵抗方式。蔷薇科等少许几个科中，花的外围（如 花萼）分布有刺，能降低花被损坏的可能。当然，由于发育和生理上的特点，以及 物理抵抗可能影响到正确的传粉者，花部的物理抵抗并不常见。实际上，花部的抵 抗主要是通过化学抵抗方式来实现的。

二、化学抵抗

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植物体内的化学抵抗物质有毒素、刺激性物质和干扰性激素等三大类物质，除 少数是蛋白质外，绝大多数都属于次生代谢产物（Harborne 1997）。对于次生代谢 产物的防御功能，有人认为这些物质主要是植物代谢废物，在进化过程中后来转化 为有防御功能的物质（Muller 1970） ；有人则认为这些物质就是植物专门进化出来 的对付植食动物的化学武器（Fraenkel 1959, Ehrlich & Raven 1964）。目前来看，后 一种观点占据了绝对的上风（Bazzaz et al. 1987, Harborne 1997, Tuomi et al. 1999, Theis & Lerdau 2003, Wink 2003）。不过，次生代谢产物在许多植物中还具有其它功 能：吸引传粉者、防紫外线伤害、生长调节、信号传导、基因表达调控、他感作用、 营养循环的控制等（参见 Hartley & Jones 1997，及其所列的参考文献），甚至可能 代表着植物对其它逆境条件的适应。例如，Close & McArthur（2002）最近提出， 被普遍认为是防御植食动物的酚在植物体内的作用也许主要是为了避免光伤害。如 果真是这样，那么仅仅考虑天敌的植食作用显然并不足以解释观察到的酚类物质与 环境条件的相关性模式。 植物生物化学的快速发展使得我们目前可以准确地计算出合成与储存化学防 御物质的能量代价，并给出了一些意想不到的结果。例如，Lerdau & Gershenzon （1997）对于松树的化学防御物质——单萜的详细分析表明，在特化结构中储存这 些物质的代价高于生产代价。除此之外，他们还注意到，植物的总体防御代价中还 需包括运输消耗、维持消耗以及资源吸收下降（机会成本）等。

（一）营养器官的化学抵抗 茉莉酮酸酯类物质（Jasmonic acids，JA）的合成和释放被认为是植物化学防御 系统的启动物质和主要调节者（Howe 2001）。这一物质既是植物体内合成毒素的开 始，也是后面要讲的诱导抵抗和生态学防御机制中的一部分。桑科植物见血封喉 （Antiaris toxicaria）是令人胆战心惊的常绿树木，其树汁内有剧毒物质α、β弩箭 子甙。白花菜科、十字花科、金莲花科和池花科植物都含有的芥子油（Mustard oils）， 一种有毒的异氰酸烯丙酯化合物，是来自高等植物最有效的抗生素。马利筋 （Asclepias curassavia）不仅对植物的化感作用（allelopathy）明显，其体内含有对 付动物的洋地黄和强心苷，可干扰维持心律的电脉冲的传导。胶冷杉（Abies balsamea）等一些松柏科植物含有保幼激素（juvabione），可干扰昆虫的正常发育， 使之无法发生变态反应而失去生殖能力。真菌也是毒剂大师中的佼佼者。毒蝇伞 （Amanita miscaria）的毒蝇碱极毒，只要 3－5mg 即可致命。 植物中的警戒色也是一种抵抗手段。警戒色是植株在某特定部位（主要是叶片） 显示出的特定颜色，这种颜色代表着植株的抵抗能力。它的防御作用主要是昭示着 体内的化学抵抗能力（毒素）和物理抵抗能力的一种真实的“恐吓”。北方温带地 区大部分落叶树木在秋季都会改变颜色，Archetti（2000）、Hamilton & Brown（2001）

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从理论上推测这是树木与昆虫（主要是在树木上产卵的昆虫）协同进化的结果，是 树木警示昆虫的警戒色。后来，Riipi et al.（2002） 、Hagen et al（2003）在白桦（Betula pubescens）中的实验研究证实了这种观点。他们发现，白桦早秋的变色能显著降低 昆虫在其上产卵的可能性，从而降低了下一季节昆虫的伤害。具有物理抵抗（刺） 的紫菀科植物 Silybum marianum 就像是“植物中的斑马”，因为这种多刺的植物 在莲座叶片和茎叶上都有明显的条状色带（Lev-Yadun 2003） 。Lev-Yadun（2003） 的研究证明，这些条带的宽度与叶长、刺长、刺的数量都密切相关，是一种警戒色。 这种警戒色主要昭示着物理抵抗能力而阻止了脊椎动物的侵犯，此外也是一种吓退 昆虫的保护机制（Lev-Yadun 2003）。有两种假说解释这种保护机制。一是认为这 种彩色条带模拟了 Agromyzidae 昆虫留下的痕迹，因为这类昆虫的幼虫采食叶片光 合组织而造成叶片呈现白色条带——就像 S. marianum 中的一样。这种拟态模拟了 已经被攻击的样子阻止了雌性 Agromyzidae 昆虫产卵。另一种假说认为，这种条带 能够降低昆虫降落在叶片上的可能性（Lev-Yadun 2003）。可见，S. marianum 中的 这种警戒色也许是在脊椎动物和无脊椎动物的共同选择压力下出现并维持的。通过 警戒色，植物证明并炫耀了自己的抵抗能力（Hamilton & Brown 2001），是一种有 效的抵抗方式，尤其是避免了无抵抗植物的“欺诈”行为，使植食动物能够区分开 抵抗和无抵抗植株（参见第三节关于抵抗防御的进化稳定对策（ESS）模型）。低 等植物，特别是个体较大的异养菌类，由于它们无力发展物理抵抗，所以也都普遍 地存在化学抵抗和警戒色。

（二）繁殖器官的化学防御 化学防御是娇嫩的繁殖器官（花、种子与果实）的主要防御手段。花蜜的配方 往往也是一道重要的防御阵线。许多花的花蜜都是精心配制的“鸡尾酒”，由糖和 稀释了的毒素调成。配方是适于拒绝错误的造访者而又不致使传粉者却步的最佳方 案（Nesse & Williams 1994）。黄花菜（Hemerocalli citrina）的毒性主要集中在雄蕊 中，使传粉者碰得吃不得，从而减少了花粉浪费。断肠草（Gelsemium elegans）中 的花粉和花蜜也都带有毒性。茄科植物曼陀罗（Darura stramonium）的花在我国古 代被用来制成“蒙汗药” ，因为其中含有莨菪碱、东莨菪碱及少量阿托品等，有麻 醉、松驰肌肉、抑制汗腺分泌等作用，能抵抗大多数动物的啃食。 金丝桃属植物 Hypericum calycinum 的花在人眼中看来都是黄色的，但却带有 昆虫能辨别的紫外色调（UV pattern）。这种色调也有一定的抵抗功能（Gronquist et al. 2001）。Gronquist et al.（2001）研究发现，紫外色调可划分为两类：类黄酮 （flavonoids）和脱芳异丙稀间苯三酚（dearomatized isoprenylated phloroglucinols， DIPs）。类黄酮是花吸引传粉昆虫的紫外色素，但 DIPs 在 H. calycinum 的花丝中没 有，在花药和子房壁中的浓度最高，子房壁中的 DIPs 甚至约占其干重 20％。DIPs

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中的 hypercalin A 被证明是种毒素，对昆虫具有威慑力。啤酒花（Humulus lupulus） 中的 DIPs 也起着保护雌性生殖器官免受蚜虫等伤害的作用。有研究证明，主要功 能是吸引传粉昆虫的类黄酮在其它一些植物中被证明具有抵抗昆虫的作用 （Gronquist et al. 2001）。 菊科的头状花序中，高度分化的边花与盘花也与抵抗有关。早在1861年， Belhomme 就指出巨菊属（Pyrethrum）植物花序的边花除了吸引昆虫传粉外，还在 夜间和寒冷的雨天向内翻卷，包住盘花；而且毒性比中央的盘花高1/3（Darwin 1877）。Darwin（1877）还提到了花内的雄蕊分化，即同一花中有两套颜色和位置 上都有所不同的雄蕊，其中一套雄蕊只吸引昆虫，并让昆虫取食，其花粉在柱头上 不能萌发；另一套雄蕊的花粉才具有在柱头上萌发的活力。柱头的位置适合于接受 后者的花粉。如喙状茄（Solanum rostratum）、大车前（Plantago major）和Heteranthera multiflora等植物中都有着花药的功能分化。Jesson & Barrett（2002）把Heteranthera multiflora 中的两种不同功能的花药分别称为给食花药（feeding anther）和传粉花 药（pollinating anther）。从防御角度来看，这两类花药的分化必然伴随着化学抵抗 水平的趋异：给食花药不大可能设防；而传粉花药应该有着更强的毒性或不可口性 物质。雄蕊的这种分化是在防御上还是在吸引（促进传粉）上被选择，有待进一步 的研究。不管怎样，雄蕊分化以及菊科中花的分化，使得我们完全可以相信，花部 防御的选择压力是塑造许多花部特征的重要力量之一。 许多野草的种子都有毒。呋喃雅槛蓝酮（furanocoumarins）是野生欧洲防风草 （Pastinaca sativa）专一分配到种子中的毒物（Zangerl & Nitao 1998）。在传粉之后 这种有毒物质迅速在果实中积累，与胚乳的生长一致，而远在胚开始生长之前，保 护着富含营养的娇嫩的胚和胚乳。海芒果（Cerbera manghas）等植物的果实与种 子含有的毒素都比营养器官要多得多。橡树籽内含量高达9%的单宁（8%就可以使 大鼠致死），使松鼠不得不把橡树籽储存一段时间后再进食。而松鼠往往会忘记埋 藏地点，橡树籽也很有可能在储存期间就早早发芽，使好记性的松鼠前来寻找时失 望而去。如果有研究证明橡树和松鼠在储存种子与种子萌发时间之间表现出某种制 约和竞赛，这将是非常有趣的。 几乎所有植物都在尚未成熟的果实中布置了毒素或不适口的物质，以避免被动 物过早地采食。柿子中的单宁要到种子成熟后才逐渐分解。葡萄在成熟的时候，果 实里会慢慢积累葡萄糖、酸性几丁质酶（acidic chitinase）和葡萄渗透蛋白（grape osmotin），后两种物质对葡萄的主要真菌病原体（Botrytis cinerea）与（Guignardia bidwellii）都有防御活性，而且在葡萄糖存在的情况下其活性增强（Salzman et al. 1998）。羊角拗（Strophanthus divaricatus）的羊角形状的果实含有剧毒，物理学和 化学防御手法都臻于完美，有效地防止了植食动物的取食（http://www.hknature.net /ecodiary/ecoindex6.htm）。

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三、诱导抵抗 许多植物在正常生长条件下几乎没有任何防御，只有在受到伤害之后才产生出 抵抗能力，如尖刺开始生长，有毒化学物质开始合成，或在受伤后发生特异性生理 反应及基因表达、产生特异蛋白。这类抵抗方式可以叫做“诱导防御”（inducible defense）。这种亡羊补牢式的防御方式初看上去似乎只是降低进一步的损失而已， 不如一直拥有化学或物理武器能够防患于未然，但它却是防御代价最小化的一种适 应：在伤害确实存在的情况下才从无到有（或从少到多）的投入资源产生防御物质， 比预先生产和供养着防御武器显然更能节省资源和能量。换言之，防御是有很大代 价的（Rhoades 1979, Simms & Rausher 1987）。这种代价可能是直接的，也可能是 间接的（Bergelson & Purrington 1996, Strauss et al. 2002）。直接的代价包括资源分 配代价（有限资源分配给了防御化合物的生产相应地就减少对其它，如生长，功能 的投入）、自毒性（auto-toxicity；例如，次生代谢物质不仅对植食动物，而且对生 产它们的植物也是有毒的）以及机会成本等。防御的间接代价则是通过其它物种的 介入而表达的，例如防御化学物质妨碍了与植物互利共生生物（如传粉者、种子散 布者、菌根真菌、根瘤菌等）的活动，或者防御导致了植物种内和种间竞争能力的 下降。直接代价和间接代价在野外工作中有时不好区分，造成间接代价的重要性被 低估。例如，防御化合物可能是对传粉者有排斥作用，使得植物授粉不足，导致了 种子结实率下降；但这种间接代价极有可能被归结为直接的资源分配代价（Strauss et al. 2002）。 由于防御需要付出代价，所以如果没有天敌的存在，不防御的植物将具有更高 的适合度，但当天敌存在时，防御个体具有更高的适合度。例如，拟南芥菜植物基 因组中有许多（100 以上） 起识别病原体、诱导防御等免疫功能的抵抗基因（resistance genes，R-基因），而且这些 R-位点往往都是分离的，其多态性已被自然选择维持了 数百万年（Stahl et al. 1999, Bergelson et al. 2001, Tian et al. 2002, Mauricio et al. 2003, Tian et al. 2003）。R-位点遗传多态性长期存在的原因可能就是由于抵抗具有代价： 当天敌不存在时，拟南芥菜（Arabidopsis thaliana）的 RPM1 位点上携带 R-基因的 个体其适合度显著低于未携带该基因个体的适合度（Tian et al. 2003）。 由于在伤害之后必须较快地诱导产生，诱导防御方式在生长快速的植物或植物 组织中普遍存在，而在生长缓慢的植株或组织中很微弱或根本没有（Herms & Mattson 1992, Kessler & Baldwin 2001） 。诱导防御在植物有可能逃脱动物攻击的生 境中是有利的，但在植食压力很大、几乎一定会受到动物采食的情形下则是一个不 利的性状，这时植物应该采取正常的、构成式的（constitutive）防御手段（Zangerl & Bazzaz 1992, Adler & Karban 1994, Dicke 1999）（图 4-1）。 虽然植物没有神经系统，但植物体内的电信号和激素系统使得植物能够知道每

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个部位所发生的事故，这是诱导抵抗的信息基础。从生理代谢机制来看，诱导抵抗 可以分为 3 大类：一是局部组织或细胞的特化，以阻遏伤害（尤其是病原微生物） 的蔓延；二是增加体内的毒素；三是与防御有关的基因表达，合成蛋白酶抑制剂。

诱导

成防御比例

诱导防御或构

1 构成

图4-1 植物诱导防御和构成防御的权衡及其与 受植食动物攻击概率的关系（引自 Zangerl &

0

0

受攻击概率

1

。 Bazzaz 1992）

茄科植物马铃薯（Solanum tuberosum）受到干腐病侵害后，与病菌接触的细胞 迅速变得坚韧、厚实，最终木质化以阻止病菌的进一步推进。如果病菌突破了这层 防线，后一层细胞马上设立了同样的“墙壁”。有的病原真菌只生活在活细胞中， 所以受到这种病菌感染的植物会通过“舍车保帅”的方法来防止病菌的进一步侵蚀。 它牺牲受感染细胞，或在受感染周围产生隔离区，切断物质供应，使受染组织与病 菌同归于尽。金合欢属植物 Acacia drepanolobium 的刺在天然和人为的植食压力 下都会增长，而且这种刺的增长是仅发生在伤口处的局域反应，其它没有受伤 。 的部位的刺几乎没有增长（Young et al. 2003） 诱导抵抗通常涉及到植物体内生理上的防御反应与基因活动。JA 被认为是 存在于所有植物中的启动一系列防御反应的“扳机” （Kessler & Baldwin 2001） 。 水杨酸盐（SA）在防御基因的表达过程中可能起信号传递作用，有激活防御系 统的功能（周建明等 1999） 。当甜菜（Beta vulgaris）等植物感受到风吹雨打以 及动物的触碰，在不到 30 分钟的时间里体内即可产生生理反应：植物的基因产 生使其体内钙含量提高的蛋白质，钙的增加相应地导致了钙调蛋白的增多，而 后者可以使植株更加坚硬。植物在受到侵犯之后可以通过一系列的基因表达， 产生抑制病菌生长的物质，减少有利于病菌生长的物质，或产生抵抗病菌侵染 的蛋白质。虽然涉及的基因不同，不同植物的防御生理反应系统却基本相同。 Zhou et al.（2002）还发现在植物中存在着伤害之后诱导表达的基因。在受到病 原微生物感染后的水稻（Oryza sativa）中，他们观察的 100 个基因片断有 53 个强化了表达，47 个表达弱化（Zhou et al. 2002） ，这些基因被命名为“防御反 应基因” （defense-responsive genes） 。西红柿（Lycopersicon esculentum）中的防 御基因是目前研究最为透彻的。其防御基因主要是 35S::Pto，由一个含 18 个氨 基酸的多肽信号系统素（systemin）激活（Xiao et al. 2001） 。其防御反应过程大

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致是，在受到伤害后通过丙二烯氧化合成酶（Allene oxide synthase）的表达（合 成 JA 的第一个酶）合成系统素，激活了防御基因编码出蛋白酶抑制剂，防御 昆虫的消化蛋白酶（Sivasankar et al. 2000, Xiao et al. 2001） 。西红柿叶中的系统 素与动物体内的多肽激素和可溶性生长因子相似，防御信号通路与动物巨噬细 胞内的防御信号通路也类似，证明了植物与动物的防御可能起源于同一原始状 态。在欧洲白桦（Betula pendula）中，防御基因是编码活性氧类（reactive oxygen species）的基因（Howe 2001） ，而活性氧类能促使细胞死亡（Pellinen et al. 2002） 。 RNA 沉默现象（RNA silencing）也是植物细胞防御外来病菌的复杂网络中的一 个环节（Vance & Vaucheret 2001） 。在受到病原微生物侵染后，RNA 沉默在伤 处诱导，并迅速扩散到其它部位。如果病菌在细胞中推进速度更快，就可以在 细胞 RNA 还有活性的情况下使得该细胞受感染。如果这种沉默信号的传递速 度快于病菌的进攻步伐，就可避免细胞的进一步感染。

四、生态学抵抗 植物对动物的任何防御毕竟是处于被动的地位，而且都要付出一定的代价。植 物要想有足够实力来阻止植食动物的侵犯，搬救兵（吸引害虫的天敌）往往是经济 有效的办法，尤其在受到植食动物伤害的时候。植物可以通过释放挥发性化学物质 或付出较少的资源（如蜜），吸引侵略自己的害虫的天敌，与害虫的天敌形成一种 互利互惠的共生关系（Price et al. 1980, Dicke 1999） 。这种现象我们可以称为间接抵 抗或生态学抵抗。 玉米、棉花和番茄等植物都知道：“敌人的敌人就是自己的朋友”（Price et al. 1980, Salzman et al. 1998, Dicke & van Loon 2000, Kessler & Baldwin 2001）。在受到 植食动物伤害时，它们常常通过发出挥发性的特异化学物，如芳樟醇、顺式-α-香 柠檬油等作为信号吸引害虫的天敌前来助阵（Dicke et al. 2003）。有实验工作发现， 烟草（Nicotiana attenuata）能释放出挥发性化学物质，吸引黄蜂径直飞向这些植物 取食烟青虫，而不理会正在其他植物上肆虐的害虫（Kessler & Baldwin 2001）。茉 莉酮酸酯和水杨酸盐（salicylate, SA）在许多植物中是吸引天敌的信号（Howe 2001），例如芹菜（Apium graveolens）在受到毛虫（caterpillar）攻击后，会很快释 放这两种化学物质。而这些物质可能也是植株启动化学防御的征兆（Howe 2001）； 一些精明的毛虫甚至能截获这样的化学信号，提前在体内合成解毒的酶。 自从 Price et al.（1980）的综述发表之后，有关动植物关系的三营养级相互作 用（图 4-2）的研究蓬勃开展，但大多数都集中在对地上过程的探讨上，地下过程 被忽略了（Van der Putten et al. 2001）。地下过程并不是地上过程的一个简单反映： 由于土壤生物的有限活动范围，地下发生相互作用的空间尺度要更小一些；土壤中

244

从根系中产生的物质其传递速率一般也不如地上快；土壤动物的视力有限，气味的 化学组成也主要是一些非特化的化合物，如 CO2 或者根系分泌液。与地上相比，根 围（rhizosphere）中的化学通讯更多地依赖于水溶化合物和对浓度梯度反应的接触 化学（contact chemistry）。

肉食动物

1 植食动物 2

3 图 4-2 受植食作用的刺 激， 植物的地上或地下部 分可以释放化学物质， 引 起（1）植食动物的天敌、

风向

（2）植食动物和（3）邻 近植株产生相应的反应 （引自 Dicke et al. 2003，

浓度梯度 3

2

有修改）。邻近植株的反 应同样也有两种： 直接抵

植食动物 31

抗或者间接抵抗水平增 加。 植物之间的通讯联系

肉食动物

不仅局限于地上， 也有可 能发生在地下。

有的植物与其它生物（如蚂蚁、微生物）形成了固定的共生关系，帮助自己抵 抗植食动物（Janzen 1966, Rehr et al. 1973）。羊茅植株高大又长得很快，在草原上 极为醒目，容易被植食动物发现。它的根部有一种霉菌能制造剧毒毒素；羊茅只要 把根部的毒素输送到叶片就可以阻止植食动物的侵犯（Nesse & Williams 1994）。与 蚂蚁形成共生关系的植物大多具有花外蜜（extrafloral nectar）以吸引蚂蚁。目前至 少在 66 个科里的植物中发现了花外蜜（Heil et al. 2001）。花外蜜可能是次生代谢 产物，也可能是茉莉酸酮酯类物质引起的间接防御反应产物（Heil et al. 2001）。荨 麻科的蚁栖树是生长在南美洲热带森林中的树木，它的树枝像竹子那样具有由茎节 隔开的空腔。当茎枝正嫩时，一种名叫阿兹特克蚁的蚂蚁便在茎壁上咬一个小孔，

245

钻入空腔，以此作为巢穴，并享受茎中的美食。当蚁栖树遭到另一种蚂蚁“切叶蚁” 的攻击时，阿兹特克蚁便会奋勇抗击，保护它自己的家园，也保卫了蚁栖树。紫葳 科（Bignoniaceae）梓属植物 Catalpa bignonioides 也在受到攻击之后产生花外蜜以 吸引蚂蚁（Forelius pruinosus）来作为“保镖”（Ness 2003）。 制造吸引“保镖”的挥发性化合物或者供养蚂蚁需要植物付出能量代价，使间 接抵抗和直接抵抗形成一种权衡关系。例如 Janzen（1966）提出，在金合欢（Acacia） 属植物中，与蚂蚁形成了共生关系物种不像其它种那样有苦味（即较低的化学防御 水平），说明直接抵抗和间接抵抗之间存在着负相关关系。但是，也有许多相反的 例子（Heil et al. 2002）。如第一章第二节所提到的，如果植物用于抵抗的总资源量 不一致或者有更多的权衡组分，我们就有可能观察不到二者之间的权衡。Agrawal et al.（2002）研究了黄瓜（Cucumis sativus）生产的、对草食动物具有防御作用的苦 味葫芦素（一种四轮列三萜系化合物）对吸引肉食动物（捕食性螨类）挥发性化学 物质种类和产量的影响。他们发现，苦味葫芦素的生产与挥发性化合物的生产存在 着明显的遗传负相关，即生产苦味素的基因型，与无苦味的基因型相比，生产了更 多种类、更大量的挥发性物质（均属于捕食性螨类的引诱剂）。但尽管如此，带苦 味的黄瓜还是相对地对捕食性螨类缺乏吸引力，而且苦味植株上的捕食性螨的生育 率下降了一半。这个结果说明，直接防御和间接防御之间有时还会产生拮抗效应。 植物吸引“保镖”的挥发性物质可能也会被邻近的下风向植物“偷听到”（图 4-2） ，并由此刺激产生了保护性的防御反应，加大了对“保镖”的吸引力度或者提 高了对植食动物的防御水平。对于植物之间通讯的可能性，人们有很大的意见分歧 （Lerdau 2002, Dicke et al. 2003）。争论的焦点不在于植物是否能“说”（释放挥发 性物质），而在于植物是否能“听”（对空气或者土壤中这些可能很微弱的信号产生 应激反应，或者对植食动物的化学防御水平上升或者增加吸引“保镖”的能力） ， 因为植物可能并不像某些昆虫那样具有高度敏感的感受和传导植物信号的能力 （Lerdau 2002）。在实验室或生长箱内，空气中植物挥发性物质的浓度往往数倍于 室外自然环境，因此即使人工实验条件下植物具有对信号的反应能力也不足以说明 自然植物确实在交换着对抗天敌的信息。Dicke et al.（2003）总结了这方面研究的 最新进展，认为现在已经有相当多的证据表明在对付植食动物伤害上植物具有相互 交流信息的通讯能力，今后的研究应该探讨相应的生理学机制和生态学问题。

第二节 忍耐与抵抗 即使存在诱导防御，一旦受伤后植物适合度的下降仍不可避免。而适合度下降 的缓解程度将直接依赖于忍耐。忍耐既与抵抗不同，也有别于诱导抵抗，它是植物 应付天敌伤害导致的负面影响、维持原适合度的一切反应与活动。植物忍耐能力的

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基础是什么还是一个热烈争论的话题。有人认为忍耐其实就是诱导抵抗（Tiffin 2000b, Stinchcombe 2002） ，但也有人认为忍耐是植物“有准备”的安排，受伤只是 使这种预支的防御表达而已（Leimar & Tuomi 1998, Lehtila 1999, Rausher 2001），即 所谓的忍耐适应性假说（Lehtila 1999）。

一、忍耐机制 根据忍耐的适应性假说，忍耐植物将一定的资源投入到“多余组织”或其它储 存部位，一旦植物遭到伤害，这些资源能维持植株的存活，甚至使得植物正常活动 不受影响；如果植物没有被伤害，那么忍耐的代价（投入资源到多余组织或储存部 位而造成的生长减缓、营养期延长和繁殖水平降低等）则表现出来。这种代价可能 还包括抵抗水平的下降（Fineblum & Rausher 1995） 。忍耐主要是通过初级代谢而非 次生代谢产物来实现的，这是忍耐与抵抗的最大不同之处（Herms & Mattson 1992）。 因此，忍耐很有可能是初级代谢引起的资源被动积累，或者是基本株型设计（design） 导致的必然后果（Lehtila 1999）。Herms & Mattson（1992）甚至认为，抵抗都有可 能是一种被动的反应，即满足生长需求后过剩的资源“溢出” （overflow）为具有防 御功能的化合物。忍耐与抵抗不同的另外一个方面是：抵抗将引起植食动物的协同 进化反应，而忍耐一般认为不具有这种效应（Rausher 2001） 。或者说，抵抗对植食 动物的生长、存活或繁殖具有不利影响，而忍耐则对植食动物的适合度无影响甚至 正面影响。 与忍耐有关的代谢过程（或称忍耐机制）可以分为三大类：快速的生长、伤害 后更有效的资源利用与吸收（如果被伤害的部位对于植物生长和繁殖并非必不可少 的话）、剩余部位资源重新再分配（表 4-1；见 Lehtila 1999）。不过，所有这些过程 都受植物发育和生长构型（architecture）的制约，例如不同部位之间的生理整合（源 －库之间的资源传递）、源库关系的相对性、生长节律和模式等等都将影响到忍耐 的能力。 快速生长是最为简便的忍耐方式。只要生长速度足够快，使得植食作用不会耗 尽所有的新鲜生物量，这种忍耐方式便是成功的，因为发展抵抗防御（物理的或化 学的）需要付出生长速率下降的能量代价。植物潜在的生长速率（由环境条件决定） 越大，投入到防御的机会成本就越高。快速生长主要出现在生产力高的生境中，而 在生产力低的生境中，植物生长的潜势必然很低，所以依靠预防性的抵抗可以更有 效地对付植食作用伤害。这就是 Coley et al.（1985）最先提出的资源丰富度假说 （resource availability hypothesis）。资源丰富度与植物化学防御水平的负相关关系 在许多（但不是所有）经验研究中都得到了证实（Basey & Jenkins 1993, Crawley 1997）。在 Herms & Mattson（1992）看来，这种快速生长还应把植物受伤后的补偿

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生长（compensatory growth）也包括在内。可是许多研究发现，生长速度较慢的植 物也会有较高的补偿生长潜力（参见 Lehtila 1999）。 植物受伤后的剩余部位可能表现出更有效的资源利用与吸收，这是忍耐的一个 重要途径。一个简单的例子就是叶片损失使得余下的叶片获得更多的阳光。银绿切 叶象（Phyllobios argentatus）主要以山毛榉的待落之叶为食，使得受伤的山毛榉资 源吸收更有效（孙儒泳 2001）。根据资源在植株体内的分布与交流，资源的形式与 转移过程也被认为与防御密切相关。Bryant et al.（1983）对植物防御中的资源转化 提出了碳－营养平衡假说（Carbon-nutrient balance; CNB）假说（Hamilton et al. 2001, Koricheva 2002, Lerdau & Coley 2002, Nitao et al. 2002）。Bryant 等人认为，氮资源 获得量的降低将限制植物生长，但对光合作用的影响相对较小，使得植物体内光合 产物过剩。这些过剩的碳水化合物将在植物体内累积成为碳含量极高的次生代谢产 物，而这些次生代谢产物有可能提高了植株抵抗植食动物伤害的能力。CNB 假说 预测，植食动物的伤害可能会导致诱导次生代谢物质的产生，因为叶生物量中的营 养物质被植食作用消耗，相应地引发了营养胁迫，使植物产生了碳含量很高的化学 防御物质。 表 4-1： 植物忍耐植食压力的各种机制（改自 Lehtila 1999） 促进机制： 1 快速生长 2 伤害后更有效的资源利用与吸收 2.1 剩余部位获得更多的阳光 2.2 剩余部位获得更多的营养与水份 2.2.1 光合作用增强 2.2.2 由于资源供应增加，剩余组织的生长和繁殖增强 2.2.3 根系吸收的资源量增加 3 资源再分配 3.1 储存物的利用 3.1.1 碳水化合物和矿物质的储备 3.1.2 芽库 3.2 从活跃组织中的再分配 制约机制： 4 构型限制 4.1 源－库关系：生理整合的程度与模式 4.2 发育可塑性

忍耐的另一个重要途径是资源的再分配。这种光合产物的再分配即可来源于储 存物的发掘，也可能来自活跃组织代谢强度的改变而实现的资源变迁，能维持植株 适当的根冠比和正常的生理活动。储存物的重新利用及其在植株中的转移是植物生 长重要的保险机制，可能也是补偿生长的一个潜在机理。储存物的代价也是很明显

248

的：它限制了生长和繁殖、储存物的转移和分配要消耗能量以及其它可能的机会成 本。也有人认为储存物的代价并不高，因为植株正常生长的时候，资源供给常常多 于生长和繁殖的需求，多余资源自然将在某些部位储存起来（Chapin et al. 1990） 。 休眠芽也是一种储存形式，几乎存在于所有的植物中，可以在植株受伤之后复苏。 Tuomi et al（1994）认为休眠芽作为一种对植食伤害的适应出现在周期性植食压力 的情况下：在没有植食压力时一部分资源被保留在休眠芽中，而植食作用将激活休 眠芽。因此，没有被啃食过的植株因为休眠芽没有被激活，其适合度可能反而不及 被啃食过的植株高，出现了超补偿（overcompensation）。 补偿生长，是防御对策在资源分配下塑造的一个重要特征。尽管有人视它为诱 导抵抗，更多的人则认为它是忍耐的一种方式。补偿生长是植物降低植食动物伤害 的一种进化上的选择，尤其是在植食压力大、但可预测且资源丰富的环境中（Herms & Mattson 1992）。补偿生长基于初级生产过程，不会导致化学防御所产生的机会成 本，而且补偿生长直接增强了植株的竞争能力，是代价较低的防御方式。补偿生长 主要来源于改变了的资源分配模式（这种分配模式可以增加分配到树叶生产的生物 量的比例）和剩余叶片光合效率的提高。在构件和克隆植物中，补偿生长可能因为 生理整合（Integration。构件或克隆之间传递资源的现象）而得到进一步加强。 不管是从资源分配，还是从它们功能上的相似性（最小化植食压力造成的植株 适合度下降） ，抵抗、诱导抵抗和忍耐都毫无疑问地在同一植株中存在着权衡。在 紫色牵牛（Ipomoea purpurea）中的研究（Fineblum & Rausher 1995）发现，抵抗和 忍耐还存在着遗传上的负相关，表明这种权衡不仅仅是环境条件使然。对于植物来 说，防御方式上的权衡使得它不得不面对这样一个现实问题：是时刻挺着尖刺、含 着毒物，还是受伤之后再诱导产生出抵抗，或把更多的精力放在忍耐上？对这个问 题的回答涉及到下面将要谈及的植物在漫长进化过程中对收益及代价的权衡，并在 很大程度上取决于环境条件和植食压力。

二、忍耐还是抵抗？ 对于任何植物，生长、生存（包括对极端环境的忍耐和对植食动物的防御）和 繁殖所需的资源都是有限的。而要将有限的资源分配给不同组织和结构，执行不同 的功能，就要求植物进行最优资源分配（Rhoades 1979, Bazzaz et al. 1987） 。在不同 的环境下，面对不同的植食压力，植物采取的资源分配模式是植物生活史的一个重 要特征。资源分配从两个方面将植食理论和生活史理论联系起来。首先，植食伤害 可能改变不同功能的资源的相对分配和绝对投入；其次，帮助植物对付植食动物的 机制需要能量（Lehtila 1999）。最优防御理论（Optimal defence theory）认为，植物 的物理学上的防御和体内次生代谢物质主要作为防御植食动物的手段而进化并保

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留（Fraenkel 1959, Ehrlich & Raven 1964, Bazzaz et al. 1987）。由于防御消耗了原可 用于生长和繁殖的资源，因此防御是有代价的（Rhoades 1979, Simms & Rausher 1987, Strauss et al. 2002）。防御的最优化由特定次生代谢物质的利益与代价所决定。 自然选择将青睐于最优化的收益/代价比率（以适合度衡量），即收益与代价差值（净 利，或适合度）最大化的防御资源分配模式。 那么，为了获得最高的适合度，植物是应该预防性地抵抗，还是受伤后再诱导 抵抗或补偿机制呢？是把资源投入到扩大再生产还是投入到保护机制中以降低资 源损失的风险呢？植物生理学特点对植株生长活动的限制在某种程度上决定了植 物的选择（Herms & Mattson 1992）。植物的活动在细胞水平上分为两大类：生长（细 胞分裂和增大）与分化（造成细胞成熟、特化的细胞形态和化学物质的变化），这 种生长与分化之间的平衡及表现出来的权衡在生理上限制了需要细胞分化的次生 代谢物质的产生和物理防御结构的形成，是植物生长、繁殖与防御三者权衡的根源 （Bazzaz et al. 1987, de Jong 1995, Tuomi et al. 1999） 。这种观点即是所谓的“生长－ 分化平衡（growth-differentiation balance，GDB）”假说（Herms & Mattson 1992）。 Herms & Mattson（1992）认为，为了实现最大适合度，植物的防御水平将受环 境条件的影响。在植食动物稀少或不易被植食动物发现而资源又有限的环境条件 下，植物的抵抗水平低而诱导抵抗能力高；在竞争强度较大的环境中，生存的压力 使得植物把更多的资源投入生长，抵抗水平低但诱导抵抗和忍耐水平较高；而在植 食作用压力较大的环境中，抵抗强度将显著增大，生长减缓；在资源丰富、植食压 力大的生境中，忍耐将是十分常见的防御对策。

第三节 防御和生活史 由于防御的重要性及其与生长和繁殖之间的权衡，植物的防御引发了植物资源 分配，并塑造了植物的许多生活史特征（Lehtila 1999）。原始植物登陆之后以及植 食动物多样性的上升，植物所处的物理环境和生物环境越发严酷，更多的资源被迫 投入到防御中。由于植物的无性世代更能适应陆地环境，更能忍受植食动物伤害或 容易产生有效的防御手段，孢子体在进化中逐渐发达，配子体逐渐退化，直至在许 多植物中，配子体完全依附于孢子体生活。对种子的防御直接导致了裸子植物大孢 子叶球的变化（在松柏中为珠鳞，在银杏中为珠领，在红豆杉中为珠托，在罗汉松 中进化为套被），并使得裸子植物（胚珠/种子暴露）逐渐向被子植物（有子房壁保 护胚珠）演化。 不同生活史的植物具有不同的防御策略。多年生的木本植物由于容易被植食动 物发现，其防御多为中等水平（如叶和树皮中难以消化的涩口物质），以应付长期 伴生的各种植食动物；而草本植物可能长期不被植食动物发现，其防御手段则多是

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能量消耗不大的防御泛化的植食动物的毒素，或者是受伤之后的诱导抵抗和补偿生 长。这种防御策略的差异甚至在同种植物的不同种群中存在。如野生姜（Asrum caudatum）较小种群内的个体会分配更多的资源和能量在生长与繁殖上，而在大种 群内，其中的个体将分配更多的能量生产化学防御物质（Herms & Mattson 1992）。 此外，不同植物的化学防御物质也都不一样。在蕨类和裸子植物中化学防御物主要 是单宁、含氰苷和昆虫激素类似物；在草本植物中主要是各种生物碱和萜类化合物 （李绍文 2001）。 植株上的部件在适合度上有所差别，因此各组织的防御水平和最优防御对策也 各不一样（Young et al. 2003）。按照这一理论，植株上最易为植食动物发现的表皮 和决定植株适合度的繁殖器官有着最高水平的防御，并可能随着生活史阶段变化而 变化。目前，大多数研究都支持了这些预测（Bazzaz et al. 1987, Herms & Mattson 1992, Pavia et al. 2002）。

第四节 植物防御的进化：理论模型 植物的防御方式形形色色，因为伤害植物的敌人多种多样，且植食动物很容易 找到避免某一毒素中毒的方法（Nesse & Williams 1994）。不同类型防御方式出现的 先后顺序，各种防御方式如何适应于不同的植食动物是植物防御研究中的一个中心 问题。 植物的物理防御显然是针对大型植食动物的。尖刺、警戒色和拟态只有对防御 植食动物，尤其是脊椎动物才起作用。化学防御能同时防御植食动物和病原微生物。 生态学防御方式主要也是针对植食动物（包括昆虫及其幼虫）。虽然防御植食动物 的各种方式都在不同程度上涉及到植物体内的生理反应，但是生理上的特异性反应 往往都是在病原微生物入侵后的一种诱导防御方式；而针对植食动物的诱导防御除 了一般的物理、化学方式外，主要还有补偿生长。病原微生物对植物的伤害主要是 入侵植物体内细胞，破坏植物正常的新陈代谢过程和其它生命活动。由于这种伤害 的不确定性，且植物难以预先设置防御方式，植物对于病原微生物的防御主要是诱 导防御。植物对病原微生物的防御反应包括植物细胞对病原菌的识别，胞内信号的 转换与传导，防御反应的开启（防御反应基因活动及其蛋白合成）等。植物防御微 生物的方式与其防御植食动物的方式最大的不同点在于前者往往涉及到基因的活 动。许多作物如水稻、西红柿、亚麻等的祖先中就存在防御相关的受体基因（Receptor genes），作为应对细菌、真菌或滤过性毒菌病原体入侵而进化保留（Kessler & Baldwin 2001, Rausher 2001）。 从防御基因，以及化学防御物质的结构和功能来看，植物防御系统都与动物的 防御系统甚或人类的免疫系统有着进化上的关联。如植物和动物中防御基因表达的

251

信号都是结构类似的一种多肽。人类神经胶质瘤中病原微生物的防御蛋白质 GliPR 与植物对病原微生物的防御蛋白质 P14a 结构类似（Szyperski et al. 1998），表明人 类免疫系统与植物防御系统存在着功能上的联系。植物防御方式的进化，以及植物 和动物在防御系统进化上的联系还是一个尚待进一步研究的领域。 下面我们首先利用模型来分析不同物种之间在防御对策上的变异，然后分析抵 抗与忍耐权衡关系的进化意义，最后在进化稳定对策（ESS）理论背景下考虑植物 个体之间相互作用对最优防御对策的影响。

一、生长与抵抗：资源丰富度假说 我们首先考虑植物如何在扩大再生产和保护已有财富上做出最佳抉择。资源丰 富度假说（Coley et al. 1985, de Jong 1995）认为，植物的抵抗程度与植物内禀生长 速度呈负相关，而植物内禀生长速度又是由生境的资源丰富度所决定的。经过长期 进化，在资源丰富的环境中生长的植物，其内禀生长速度较快，植物可通过更快速 的生长来忍耐植食动物的伤害；而在资源贫瘠的环境中，植物内禀生长速度较慢， 植物通过投入更多的资源抵抗植食动物的伤害。为了更清楚地说明生长与防御的这 种权衡关系，Coley et al.（1985）建立了如下的一个模型：

R=

dC = GC (1 − kD α ) − ( H − mD β ) dt

（4-1）

其中 C 是植物个体的生物量，D 是投入到抵抗的资源比例（即植株的光合产物有多 大比例分配给抵抗），G 是不存在抵抗时植物最大内禀生长率，C 为初始时刻的植 α 物大小，H 是在没有抵抗的情况下植物因植食作用而减少的生长速率；GC（1- kD ） β 描述了抵抗的代价，即对抵抗的资源投入如何降低了生长速率；（H- mD ）表示因 抵抗的作用而导致的植食作用水平的下降。k 和 α 决定了抵抗投入的和代价，而 m 和β的值则决定了抵抗的效率。 依照这一模型防御投入的代价与利益权衡结果如图 4-3，其中α和β值的相对 大小决定了曲线的形状。当分析最优防御问题时，人们一般都采用每单位生物量植 物生长速率作为最优化指标。这时，一个隐含的假定就是这个生长速率可以代表植 物个体的适合度（参见第一章），这对于我们要处理的问题一般可能也是合适的 （Fagerstrom et al. 1987, Yamamura & Tsuji 1995, Iwasa et al. 1996） 。把（4-1）式的 右端对 D 求微分，然后令其等于零，即解方程

∂( R / C ) = 0 可得： ∂D

Dˆ = [(CGkα ) /(mβ )](1 /( β −α ))

（4-2）

如果αβ（图

252

ˆ 取极小值，意味着最优的资源投入或者是完全抵抗（如下端的曲线）或 4-3b）， D 者根本没有抵抗（上端的曲线），不存在中间的情况。 (a) α>β

实际生长速率

实际生长速率

(b) αβ，即对于分配给抵抗的每一单 位资源，代价增长比获益更快，此时中等水平的抵抗投入对应着最大的实际生长速率（箭 头所指之处） ，并且随内在增长速率的上升而下降； （b）α Wc 或者 Wm > Wc ）。如果令 k 和 K 分别表示雌性和雄性生育 力的增加（即： k =

f f − fc fc

；K =

mm − mc ）；δ 表示近交衰退（ δ = 1 − i ），那 mc

么单性突变体入侵两性种群的条件则为： 对于雌性突变体： k > 1 − 2 sδ 对于雄性突变体： 1 + K >

2(1 − sδ ) (1 − s )

（8-4） （8-5）

雌性个体入侵两性种群的条件表明：如果不存在近交衰退（δ = 0），雌性突变 体要想成功侵入两性种群其生育力必须加倍（k > 1），也就是说雌性突变体的种子 产量必须达到两性个体的两倍以上才可能侵入两性种群。如果雌性个体的生育力不 增加（k = 0） ，那么只有当自交率与近交衰退的乘积大于 0.5，即存在较高程度的自 交和近交衰退时，雌性突变体才能侵入。与此类似，雄性个体要入侵完全异交的两 性种群（s = 0），其生育力也必须加倍（K > 1） 。如果要入侵部分自交的种群，生 育力还必须增加得更多（Lloyd 1974, 1977, Charlesworth & Charlesworth 1978a）。这 些结果是合理的，因为每一个后代都有一个父本和一个母本，对单性突变体而言， 有一半的繁殖适合度丢失了，如果单性个体不能使保留下来的性别的生育力加倍的 话，它的适合度就比两性个体的适合度低。总之，单性突变体要想成功侵入两性种 群，绝大多数情况下，其生育力都必须增加，或者伴随着较高程度的自交和近交衰 退。所以，对雌雄异株进化的机制，传统上一直是从避免自交这个角度来解释。后 来，随着雌雄异株进化的理论模型的发展，才引导人们从资源在雌雄性别功能之间 的再分配导致生育力增加这个角度来解释雌雄异株的进化。当然，这其中还出现了 其它一些解释雌雄异株进化的假说，如传粉者选择假说、植食作用选择假说、以及 避免雌雄性别干扰等。

二、雌雄异株进化机制的几个假说 自 Darwin（1877）首次讨论雌雄异株植物的进化以来，关于雌雄异株的进化 动力有过广泛的探讨。雌雄异株是雌雄性别功能分离得最完全的一种性系统，彻底 避免了雌雄两个性别功能之间的干扰，但这方面的研究开展得较少。从避免自交角 度解释雌雄异株进化的理论和实验工作主要集中在 20 世纪七八十年代，是对雌雄 异株进化最经典的解释。但是避免自交只是从雌性的角度来考虑个体的适合度收

344

益，而忽视了雄性功能对适合度的贡献。资源再分配理论是继避免自交之后提出的 另一种解释雌雄异株进化的机制。资源再分配理论侧重于繁殖资源在雌雄两个功能 之间的优化分配，从雌性功能和雄性功能两个方面来考虑个体的适合度。近 30 年 来，越来越多的研究都是从繁殖资源在雌性和雄性功能之间的优化分配来考虑雌雄 异株的进化问题（Charlesworth & Charlesworth 1981, Charnov 1982, Charlesworth 1999）。此外，传粉者选择、植食动物有差异的捕食也可能是雌雄异株进化的选择 力量。

（一）避免自交 避免自交是解释雌雄异株进化的主流观点，认为性别分离之所以进化是因为它 减少了自交及由于自交而带来的负面影响，即近交衰退（见 Freeman et al. 1997）。 根据上面的模型，如果雌性突变体的种子产量与两性个体一样，也就是说雌性突变 体生育力不增加，但是两性个体的后代与雌性突变体的后代存在适合度差异，那么 当自交率与近交衰退高到一定程度（二者的乘积大于 0.5）时，雌性突变体就将受 到选择（Charlesworth & Charlesworth 1978a）。近期几项雌全异株物种的实验研究 都符合这一标准（Kohn & Biardi 1995, Schultz & Ganders 1996, Sakai et al. 1997）。 迄今为止，已有许多实验数据证明了近交衰退的存在，即使是在部分异交的植物中 也出现了近交衰退（Husband & Schemske 1995）。 但达尔文本人却明确地拒绝了避免自交的观点，他并不认为性别分离是一种简 单的异交机制，雌雄异株的进化不仅仅是降低近交后代比例的一种手段。“如果不 是昆虫或风力已经有规律地把花粉从一个个体带到另一个个体，大概就不会有雌雄 同体向雌雄异株的转变过程；因为这样转变了，走向雌雄异株的每一步都会导致不 育性的发生。由于我们必须假定某一种雌雄同体植物在能转变为一种雌雄异株植物 以前首先要有异花授粉的保证，因此我们可以断言，这一转变并不是为了从异花授 粉中得到巨大利益而发生的”（Darwin 1877）。达尔文认为在雌雄异株进化之前必 须已经选择出了异交机制。因而雌雄异株并不一定是为了产生异交。 关于避免近交在雌雄异株进化中的作用的研究主要集中在 20 世纪七八十年 代，许多研究都认为雌雄异株之所以进化主要是为了尽量减少自体受精，并因而能 降低“低质量”后代的比例，即降低近交衰退（Ross & Shaw 1971, Lloyd 1975c, Charlesworth & Charlesworth 1978a, Charlesworth & Charlesworth 1978b, Ross 1978, Bawa 1980, Thomson & Barrett 1981, Ross 1982）。这些研究接受“雌雄异株导致后 代总的数量减少”这一观点，但它们认为由异交程度增加引起的后代在“质”上的 改善所获得的适合度收益能弥补“量”上的不足（Eckert & Barrett 1992, Thompson & Tarayre 2000）。事实上，更多的情况是雌性突变体的种子在数量和质量上都得到 了提高（Webb 1999）。

345

一些比较研究表明雌雄异株很少由自交不亲和的两性个体进化而来 （Charlesworth 1985），这似乎支持了避免自交在雌雄异株进化过程中的重要作用。 但是，避免自交理论本身存在着一定的缺陷。如果仅仅是为了避免自交，不一定非 得表现出雌雄异株的形式。雌雄异位（herkogamy）、雌雄异花同株、雌雄异熟以及 自交不亲和性等都是有效的异交机制。而且，如果雌雄异株的进化主要是为了促进 异交，那么同时拥有自交不亲和系统和雌雄异株两个性状的类群数量应该显著低于 随机组合的期望值，但目前还没有证据支持这一推测（Freeman et al. 1997）。另一 方面，那些与雌雄异株植物亲缘关系很近但又不是雌雄异株的物种大多数都有异交 机制（Renner & Ricklefs 1995），这表明异交机制先于雌雄异株出现。从这个角度 看，避免自交不大可能是多数雌雄异株进化的主要选择力量。另一方面，避免近交 理论仅仅是从雌性角度考察一个植株的适合度，没有考虑雄性途径的贡献。但是最 近对宽叶慈姑的研究表明，同株异花自交和强烈的近交衰退在该物种从雌雄异花同 株到雌雄异株的演化过程中有着重要作用（Dorken et al. 2002）。由于许多雌雄异株 的植物个体较大，这就意味着在其原始的两性种群中可能存在较为严重的同株异花 自交，从而促使植物向雌雄异株方向发展。这说明，至少在经雌雄异花同株向雌雄 异株进化过程中避免自交可能是主要的选择力量（见第二章）。 对于自交和雌雄异株进化的关系，我们一方面要看到避免自交在雌雄异株进化 过程中的作用，至少在经雌雄异花同株途径中发挥着重要作用，另一方面，我们也 应该认识到，自交率增加不是雌雄异株进化的唯一原因，雌雄异株也不是自交率增 加的必然结果，它还受到传粉系统等其它生态因子的影响。在传粉条件较差的环境 中，自交率增加可能会促使植物向花内自交方向发展，并最终演化为花小且少的雌 雄同花性系统。Wurmbea 属植物针对自交率的增加，演化出了雌雄异株和雌雄同花 两种完全不同的性系统（Harder & Barrett 1996）。

（二）资源再分配 资源再分配理论是与避免自交相平行的另一种解释雌雄异株进化的理论，主要 是说对繁殖的雌性和雄性方面进行有差别的选择驱动了雌雄异株的进化（Darwin 1877, Bawa 1980, Freeman et al. 1980, Givnish 1980, 1982）。Darwin（1877）从经济 学角度提出，在一定条件下资源再分配能导致更高的资源利用效率。雄性突变体可 以基于下列两个因素而比两性个体产生更多的后代。首先，原本分配给雌性功能的 资源可以完全转投到雄性功能；其次，与两性个体相比，雄性突变体在花粉的产生 和散布方面可能效率更高。同理，雌性突变体也可能比两性个体产生更多的后代。 近些年来，探讨雌雄异株进化的工作主要集中在有限的繁殖资源如何在雌雄两个性 别之间进行优化分配以获取最大的适合度收益（Charlesworth & Charlesworth 1981, Charnov 1982, Seger & Eckhart 1996）。

346

避免自交不是雌雄异株进化的唯一优势，也不能完全解释被子植物中所有雌雄 异株的进化。资源分配模式的改变同样能促进雌雄异株的进化。即使不存在近交衰 退，如果雌性个体的种子产量是雌雄同花个体种子产量的两倍，弥补了雌性个体由 于雄性功能的丧失而损失的适合度，雌性个体也会受到选择。根据上面讨论的单性 突变体侵入两性种群的条件，那么接下来要问的问题就是“生育力需要增加多少， 单性个体才能入侵？”这取决于两性个体的繁殖资源在雌雄两个性别功能之间的分 配比例。正是因为生育力是资源投入的结果，所以，我们可以假定单性突变体将会 把所有的繁殖资源都投入到保留的那个性别功能。这样，根据性别分配理论就可以 计算生育力值，性别分配理论也与单性进化理论紧密联系在一起了。 1. 生育力与性别分配的关系 要回答单性突变体入侵两性种群的问题，首先需要假定一些已知的性别分配和 生育力的关系，找到两性个体的性别分配策略。一般采用简单的指数收益曲线 （exponential gain curve）形式： f = r ；式中，f 表示生育力值，r 表示资源投入 c

量，c 是衡量二者之间关系的幂指数。如果雌雄两个性别功能的收益曲线都是加速 的（即幂指数都大于 1），即在这两个性别功能上增加较少的资源投入就会带来较 大的适合度收益，那么雌雄异株是进化稳定的性系统（Charnov 1982）。反之，当 二者的收益曲线都是减速的时候（即幂指数都小于 1），雌雄同体是进化稳定的。 如果一个性别功能的适合度收益曲线是线性的，另一个就必须是饱和的，雌雄同体 才能成为进化稳定的性系统（详见第二章）。而植物的生长通常都是投入到生长的 资源的饱和函数（Reekie & Reekie 1991）。例如，由于植物固着生长，花粉生产加 倍并不能使成功授粉也增加一倍，或者种子散布局限在一定的空间内，这些都有利 于雌雄同体的稳定维持。 模型假定繁殖资源是有限的，按一定比例分配给雌雄两个性别功能，即假定了 雄性功能分配和雌性功能分配之间存在权衡（trade-off）关系。根据指数收益曲线， 可以得到一个简单的规则：如果至少有一个性别功能的指数小于 1，那么肯定存在 一个进化稳定的性别分配策略（Charnov & Bull 1986）。哪个性别功能的指数越大， 繁殖资源就会更多地分配给这一功能（见第二章）。如果令 r 代表两性个体投入到 雄性功能的资源量，1 - r 代表投入到雌性功能的资源量，雌性功能的生育力 fc 和雄 性功能的生育力 mc 分别为：

f c = (1 − r )

（8-6）

mc = r b ；

（8-7）

c

347

对于进化稳定的完全异交种群，必须满足

∂Wc =0 ∂r

（8-8）

r b = 1− r c

（8-9）

即为：

显然，如果 b > c ，那么 r > (1 − r ) ，即：雄性分配大于雌性分配；反之亦然。

Charlesworth & Charlesworth（1981）以及 Charnov（1987）还给出了部分自交种群 的进化稳定分配对策。当自交率为 s，近交衰退为 δ 时：

r b 1− s = 1 − r c 1 + s (1 − 2δ )

（8-10）

只要存在自交（ s > 0 ），等式右边就小于 1，因而 r < (1 − r ) ，这表明，自交会导 致雄性分配减少，而雌性分配增加（Charnov 1987）。 从直观上看，在两性种群中，如果雌性功能收益曲线的指数较大，那么，分配 给雌性功能的资源会增加，雌性个体将会受到选择。但是，这同时就意味着在雌性 突变体出现之前，两性个体应该把更多的资源分配给雌性功能，所以，雌性突变体 出现之后不可能引起雌性生育力的大量增加。因此，只考虑收益曲线而不考虑两性 种群的性别分配模式，不可能得到令人满意的单性进化理论。如果我们把性别分配 模式考虑在内，可以看到，只有当两性个体的雄性分配很高，雄性功能的这部分投 入转而投入到雌性功能，才能引起雌性个体生育力的大量增加，雌性个体才可能入 侵（Charlesworth & Charlesworth 1981, Seger & Eckhart 1996）。 2. 性别分配对单性入侵的影响 如果一个两性种群处于进化稳定分配状态，而且单性突变体将把所有的繁殖资 源都分配给保留下来的性别功能，那么，接下来的问题就是，在这样一个种群中， 我们期望能得到多少单性突变体？ 性别分配对单性入侵的影响最简单的情形就是只考虑完全异交的种群。当两性 种群完全异交时，雄性指数收益曲线或雌性指数收益曲线至少有一条是加速的。从 定量的角度看，在异交种群中雌性突变体的生育力必须加倍（ f f = 2 f c ）才能侵 入两性种群，雄性入侵与此类似。这些结果应该是合理的，因为繁殖适合度必然要

348

通过后代表现出来，而每一个后代都有一个父亲和一个母亲。如果一个性别功能丧 失了，那么一半的繁殖适合度也就丧失了。所以，在完全异交的种群中，单性突变 体只能通过加倍保留的性别功能来弥补丧失的适合度。 下面以雌性突变体为例来考察性别分配模式对单性入侵的影响。由于雌性突变 体将所有的繁殖资源都用于种子生产，所以雌性突变体的生育力

f f = 2 fc = 1

（8-11）

雌性生育力的增加量

k=

f f − fc

=

fc

1 1 −1 = −1 fc (1 − r )c

（8-12）

而完全异交种群进化稳定分配策略

r=

b b+c

（8-13）

在完全异交种群中，雌性突变体的生育力应该是两性个体雌性生育力的两倍，即

f f = 2 f c 。所以，在指数收益曲线和性别分配之间存在这样的关系（Seger & Eckhart 1996）：

(

)

b = c 21 / c − 1

（8-14）

在给定收益指数 b 和 c 的情况下，我们就可以找到进化稳定的雄性分配值 （ r Charnov

1982），以及雄性个体、雌性个体和雌雄同体之间的平衡频率。 r = 0 和 r = 1 分别 表示雌性突变体和雄性突变体。 当 0 < r < 1 时，表示雌雄同体。 当收益指数 b 和 c 都大于 1 时，雌雄异株是进化稳定的（Charnov 1982）。

(

)

(

)

当 b 或 c 有一个大于 1 时，如果 c > b 21 / b − 1 ，雄全异株是进化稳定的。 当 b 或 c 有一个大于 1 时，如果 b > c 21 / c − 1 ，雌全异株是进化稳定的（Seger

& Eckhart 1996）。 在雄全异株区域，两性个体是“类雌性的（female-like）”，雄性分配值 r 较小；而 在雌全异株区域，两性个体的雄性分配值 r 较高，是“类雄性的（male-like） ”。根 据该模型，两种以上的性表达状态（sexual morphs）不能稳定共存（图 8-5）。

349

雄全异株

雌全异株

雌性收益指数（c）

雌雄异株

雄性收益指数（b）

图 8-5 经典的资源分配模型。 图中粗线是给定收益指数（b、 c）条件下雄性分配（r）等值 线。细线是雌雄同花和其它双 性个体的分界线（Seger & Eckhart 1996） 。

在部分自交的种群中，对于外源花粉来说，胚珠更难获得，这就降低了花粉对 适合度的贡献。所以，进化稳定分配对策将向雌性分配增加的方向发展 （Charlesworth & Charlesworth 1981），并因而会降低雌性突变体通过资源再分配所 获得的收益。与异交种群类似，可以得到：

b=

1 + s(1 − 2δ ) 1/ c c [2(1 − sδ )] − 1 1− s

{

}

（8-15）

部分自交条件下的雄性收益指数一般都小于完全异交情况下的雄性收益指数。很明 显，如果自交率不太高，但近交衰退比较剧烈（例如，δ > 0.5），即使雌雄两个功 能的收益曲线都是饱和的，雌性突变体也能入侵。雄性突变体入侵部分自交两性种 群的条件与此类似，可以写为： 1/ b  b(1 − s )  2(1 − sδ )  c= 1 −   1 + s (1 − 2δ )  1 − s  

（8-16）

在部分自交种群中，由于异交花粉较难获得胚珠，所以雄性个体入侵的条件要严格 得多（Lloyd 1975c, Charlesworth & Charlesworth 1978a） 。雄性个体入侵部分自交种 群，必须要求收益曲线是加速形式（Charlesworth 1999）。 3. 单性个体对两性个体性别分配的影响 一旦雌性个体在两性种群中建立，两性个体将进一步进化并调整性别分配模 式，形成一个新的性别分配策略。由于胚珠更容易获得，在花粉产量上的投入将得 到更大的回报，所以，在新的性别分配模式下，两性个体雄性分配将更高。而在雌

350

性个体存在的情况下，雌性不育突变体入侵两性种群的条件更容易满足。事实证明 两性个体雄性生育力的增加大于雌性生育力的降低（Charlesworth & Charlesworth 1978a）。这表明资源从雌性生育力再分配到雄性生育力是通过雌全异株向雌雄异株 进化的必要条件。 如果假定两性个体可以调节繁殖资源在性别功能上的分配，并且将达到一个新 的平衡状态，那么我们可以采用进化稳定策略分析，找到两性个体新的进化稳定性 别分配模式。两性个体的适合度方程需要做适当修改，它应该把根据种群内雌性个 体和两性个体的频率得出的平均雌性生育力考虑进去（Charlesworth 1989）。正如我 们所期望，雌性个体的存在将导致进化稳定的雄性分配值（r）随收益指数（b）的 不同而不同程度的增加，并且，两性个体雄性分配的增加总是伴随着雌性个体出现 频率的增加（图 8-6）。 图 8-6 给出了在特定的收益指数下，两性个体的性别分配模式和单性个体的频 率。对于完全异交的种群，如果雌性个体已经侵入，那么两性个体新的进化稳定分 配将高度偏雄，并且雌性个体的平衡频率将上升至 0.5（Seger & Eckhart 1996）。而 在部分自交的雌全异株种群中，两性个体经常还有部分繁殖资源分配给雌性功能， 在这种情况下，雌性个体的平衡频率将低于 0.5。这些结果表明一旦雌性个体侵入 两性种群，那么雌性功能减弱的两性个体将受到选择。而当雌性个体不存在时，相 同的参数条件下，雌性功能减弱的那些两性个体是不能扩散的。例如，比较图 8-6 的下半部分，我们发现当雌性收益指数（c）为 0.85 时，在雌性个体存在的条件下， 如果雄性收益指数超过 0.85，那么雄性功能增加的个体将会受到选择；而雌性个体 不存在时，只有当雄性收益指数大于 1.07 时，雄性个体才可能侵入。而当种群部 分自交并且近交衰退剧烈时，即使雄性收益指数小于 1，雄性功能增加的个体也会 受到选择。因此。不管是异交种群还是部分自交种群（假定近交衰退足够强烈） ， 如果性别分配存在遗传变异，我们就可以期望雌全异株种群将向雌雄异株进化。 与雌全异株情形相对，在雄性个体存在时（即雄全异株种群中），两性个体的 进化稳定性别分配对策几乎总是高度偏雌的（Seger & Eckhart 1996）。这表明，如 果雄性突变体入侵的条件得到满足，那么雄全异株种群很可能满足进一步进化的条 件，两性个体进化为雌性个体。在自然界中，雄全异株很少能观察到，正是因为雄 全异株迅速地进化为了雌雄异株。但是，对于经雄全异株向雌雄异株进化来说，最 大的困难并不在于雄性突变体侵入后的进一步进化，而在于雄性突变体是如何侵入 两性种群的，因为雄性突变体入侵两性种群的条件是极其严格的。 当然，上面讨论的模型都是特别简单的情形，忽略了许多生物学实际问题。而 且，模型还假定自交率和近交衰退都是常量，但是随着雌全异株种群中两性个体在 功能上更雄性化，它们巨大的花粉产量可能会导致更高的自交率（Charlesworth & Charlesworth 1981），近交衰退也不是常量。有些实验证明了异交种群往往表现出预 期的近交衰退增加的趋势，尤其表现在种子和幼苗的活力上（Husband & Schemske

351

1996）。由于上述这些原因，资源再分配进化过程的最终结果可能并不像上面所讲 的那么简单，但是，这些简单的模型可能还是抓住了这类进化事件的主要特征。 完全异交，S=0

完全异交，S=0 有雌性个体时 没有雌性个体时

进化稳定雄性分配值 r

进化稳定雄性分配值 r 新的进化稳定分配对策下 新的进化稳定分配对策下

有雄性个体时 初始性别分配策略下

雌性个体频率

初始性别分配策略下

雄性个体频率

雄性收益指数（b）

雌性收益指数（c）

部分自交，S = 0.3 近交衰退为 0.9

部分自交，S = 0.3 近交衰退为 0.9

雄性收益指数（b）

雌性收益指数（c）

图 8-6 雌全异株种群和雄全异株种群的进化以及单性个体出现后性别分配模式的调节 （Charlesworth 1999） 。

（三）植食作用假说 对雌雄异株进化机制的讨论主要集中在避免自交和资源再分配两个方面，很少 关心植食动物、病原体等天敌在雌雄异株进化过程中的作用（但见 Bawa 1980, Cox

352

1982, Ashman 2002），尽管很早就有人指出有差异的捕食可能是雌雄异株进化的一 种选择力量（Janzen 1971, Bawa 1980）。事实上，植食作用、病原体入侵等天敌的 危害对雌雄异株的进化可能有重要的影响。从天敌的角度出发，可能为我们探讨雌 雄异株的进化提供一个新的视角（Ashman 2002） 。植食作用选择假说主要是针对雌 雄同花经雌全异株向雌雄异株进化途径而提出的（Maurice et al. 1993, Weiblen et al. 2000）。 植食动物通常喜欢取食产生花粉的植物个体，尤其是具有花芽、花朵或种子的 植物个体。也就是说，在雌全异株种群中，雌雄同花个体比雌性个体更容易受到植 食动物的危害，并且所受的危害也更严重（Cox 1982, Marshall & Ganders 2001）。 例如，一种蝇只在雌雄异株鼠李属植物 Rhamnus ludovici-salvatoris 的雄花上生产虫 瘿，在该属的其它植物中也存在这一现象（Traveset 1999）。 Ashman（2002）全面综述了植食作用对种子的相对生育力、交配系统、花粉 适合度收益曲线、性别分配这 4 个方面的影响，以及这些参数的改变对种群中雌性 个体出现频率的影响。由于植食动物喜欢取食雌全异株种群中的雌雄同花个体，所 以雌雄同花个体的种子受损害的程度要大于雌性个体的受害程度。当没有植食动物 取食时，雌性个体和雌雄同花个体的种子产量是相等的，而当存在植食作用时，雌 性个体的种子产量是雌雄同花个体的 1.6 倍。雌性个体在种子产量上的优势使其得 以在种群中维持一定的频率（Marshall & Ganders 2001）。此外，如果植食动物在取 食雌雄同花个体的时候对雌性器官（如子房或胚珠）有损伤行为，同样会促进雌性 个体在种群中维持（Puterbaugh 1998） 。例如，沙蒙狐蝠和铜绿辉椋鸟取食藤露兜 树具有甜味的苞片时，对两性花序的危害远大于对雌花序的危害，能破坏两性花序 中大部分甚至全部雌小花（Cox 1981, 1982）。如果植食动物不直接取食植物的生殖 器官，而是取食叶片等营养器官，可能会降低植物的光合作用面积，减少植物可获 得的总资源，在资源分配负耦联的作用下，减少对花吸引和回报结构的投入，从而 降低传粉者的访花频率，一样会导致雌雄同花个体种子产量的降低（Mothershead & Marquis 2000），促进雌性个体的发生和维持。但与此同时，由于传粉者访花频率的 降低限制了花粉的有效传播，雌性个体由于花粉供应不足种子产量也可能降低，不 利于雌性个体在种群中的扩散（Krupnick & Weis 1999）。总的说来，如果植食作用 降低了种子的适合度而又不降低花粉的适合度，那么植食作用将促进雌雄异株的进 化（Bawa 1980, Cox 1982）。反过来，花粉限制则会阻碍雌性个体的扩散以及雌雄 异株的进化（Lloyd 1974, Maurice & Fleming 1995）。 植食动物对雌雄同花个体的偏向性取食还可以通过改变自交亲和植物的交配 系统来影响雌全异株种群中雌性个体的扩散。尽管没有直接的证据支持植食作用能 改变植物的交配系统，但有大量证据表明植食作用能改变影响植物交配系统的繁殖 性状，如花序大小、性表达、花期等（Juenger & Bergelson 1997, Krupnick & Weis 1999）。这些繁殖性状的改变既可以促进雌雄异株的进化，也可以限制雌雄异株的

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进化，最终向哪个方向发展则取决于传粉者的行为、花粉限制和近交衰退的程度 （Ashman 2002）。事实上，植食作用对后代适合度的影响可能很强烈。研究表明， 当存在植食作用时，沟酸浆属植物 Mimulus guttatus 的近交衰退增加了 3 倍（Carr & Eubanks 2002）。如果植食作用也能增大雌全异株植物的近交衰退，那么植食作用 将促进雌性个体的侵入以及雌雄异株的进化。

雄性适合度

无植食作用

有植食作用 图 8-7 植食作用对雄 性 适 合 度 的 影 响 （Ashman 2002）。 雄性分配

以上两个方面都假定植食动物在取食过程中没有对花粉产生危害，但实际上花 粉也会遭到一定的损害。因此，植食动物对具有花粉的植物个体的偏好性取食在降 低雌雄同花个体种子适合度的同时，也会降低其花粉的适合度。有研究表明在雄性 功能上（花粉和花朵）投入越多的个体所遭受的植食作用越强烈（Cunningham 1995, Ehrlen 1997） 。而且植食作用还可以通过降低对传粉者的吸引力或者严重损害植物 个体而降低花粉的竞争能力和生育力，因此，存在植食作用时，雄性适合度收益曲 线通常都是一条减速曲线（图 8-7） 。在这种情况下，将会抑制雌性个体的侵入，限 制雌雄异株的进化。 植食作用还可以通过改变雌雄同花个体的性别分配模式来影响雌雄异株的进 化。研究表明，当植食动物主要取食叶片等营养器官时，通常导致雄性分配增加 （Whitham & Mopper 1985），将促进雌性个体频率的增加，并最终促进雌雄异株的 进化。但在某些物种中，当植食动物主要取食营养器官时，雄性分配不仅不会增加 反而有所下降（Lehtila & Strauss 1999）。如果植食动物取食的是花朵、果实等生殖 器官，则会导致雌性分配增加（Lowenberg 1997, Krupnick & Weis 1998），限制雌性 个体的侵入以及雌雄异株的进化。

（四）传粉者选择假说 作为植物个体之间进行异交的一种媒介，传粉者在雌雄异株进化过程中的作用

354

也得到了一定程度的关注。Beach（1981）针对虫媒的雌雄异株植物提出了传粉者 选择假说。如果同一物种的不同个体之间在花的颜色、大小、花蜜产量和浓度、花 粉数量等吸引传粉者的繁殖性状上存在差异（Lloyd 1973, Lloyd & Webb 1977），而 传粉者又能够敏锐地觉察到这些差异，并且有选择性的进行觅食活动（Willson & Price 1977），那么传粉者将首先在回报丰富的个体上觅食，然后再到回报较少的个 体上觅食，传粉者的这种方向性运动将会导致不同个体之间花粉有方向性的流动。 传粉者最先访问的个体几乎没有接受外源花粉，但输出了相对较多的花粉，所以通 过输出花粉获得的适合度收益大于通过生产种子获得的适合度收益。最后被访问的 个体由于传粉者已经携带了大量的花粉，不大可能输出太多的花粉，但有足够的外 源花粉保证胚珠受精，所以主要通过雌性途径获得适合度收益（Willson & Rathcke 1974, Willson & Price 1977, Conner et al. 1996）。也就是说，由于传粉者的这种方向 性传粉行为，雌雄同花植物通过雌雄两个性别功能获得的繁殖成效（reproductive success）就会出现分化，通过资源的再分配雌雄同花个体将被单性个体取代，即出 现了雌雄异株的性系统（Morgan 1992）。 Ashman（2000）通过蔷薇科草莓属一种雌全异株植物 Fragaria virginiana 对传 粉者的选择性访花行为及其在雌雄异株进化过程中的意义进行了详细的研究。F. virginiana 主要由蜂、蝇和蚂蚁进行传粉，都属于泛化传粉者。蜂和蝇主要取食花 粉和花蜜，蚂蚁仅以花蜜为食。两性花由于花瓣较大、花粉产量大，所以蜂和蝇访 问两性花的频率显著高于访问雌花的频率，而蚂蚁 68%的时间都在访问雌花。F. virginiana 的两性个体和雌性个体在花瓣大小、花粉数量等吸引和回报传粉者的繁 殖性状上的差异直接导致了传粉者访问频率的差异。而在传粉者有选择性访问的作 用下，雌花将会增加花瓣大小更好地接受花粉，而两性花将增加雄蕊大小，增大花 粉产量，更好地输出花粉，从而促进雌雄异株的进化。传粉者选择假说可能尤其适 合解释从异型花柱向雌雄异株的进化（Bawa & Beach 1981）。

（五）避免性别干扰 Darwin 认为被子植物花多样化的适应意义在于促进异交，或者说避免自交 （Darwin 1876）。之后的研究大多也持这一观点。但是，除了自交会导致植物适合 度的损失而外，雌雄两个性别之间的功能干扰同样可能会降低适合度。从雄性功能 的角度看，总是要尽可能多的向外散布花粉，而从雌性功能的角度看，则要促进花 粉沉降到柱头上，对一种性别功能最有利的性状对另一种性别功能并不一定是最有 利的，这样在雌性功能和雄性功能之间就会出现性别干扰，导致配子体的大量浪费 和繁殖力的下降。在雌蕊和雄蕊空间位置相当接近而且同时成熟的雌雄同花植物中 性别干扰的作用可能尤为重要（Barrett 2002b）。 在被子植物的演化过程中，发展了各种各样的避免性别干扰的性状。自交不亲

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和系统从生化方面避免了雌雄干扰，雌雄异熟从时间维度上避免了雌雄干扰。从空 间角度看，在雌雄异位、镜像花柱、异型花柱等性系统中，雌雄性别功能在花内实 现了空间分离，雌雄异花同株则是雌雄性别功能在花水平上的空间分离，都有效地 避免了性别干扰。毫无疑问，雌雄异株作为一种雌性性别功能在个体水平上分离的 性系统，能够彻底地避免雌雄两个性别功能间的干扰，但现在关于避免雌雄性别干 扰的研究报导还相当缺乏，对于性别干扰存在的生态和进化意义也不太了解。藤露 兜树的例子可能是关于雌雄异株避免性别干扰不可多得的例证（Cox 1981, 1982）。 藤露兜树形成穗状花序，其植株大多都是雌雄异株的，少数表现为雌雄同花的 性系统，主要由沙蒙狐蝠和铜绿辉椋鸟进行传粉。研究表明，这两种脊椎动物传粉 时对雄花和两性花的危害比雌花大，雄花序和两性花序受破坏的百分数分别为 96% 和 69%，而雌花序受破坏的百分数只有 6%。在传粉动物的觅食过程中，对雄花序 而言，尽管被破坏了，但是其产生的花粉已经附着在了传粉者体上，已经完成了雄 性繁殖功能；对雌花序而言，由于其结构上的差异，基本不会受到破坏，也能很好 地执行雌性繁殖功能；但是对两性花序而言，当传粉者在两性花序上觅食时，通常 破坏了大部分甚至所有的雌小花，很难完成雌性繁殖功能。显然，藤露兜树这种植 物表现出雌雄异株的性系统能够避免传粉者觅食过程中雌雄两个性别功能之间的 干扰。 与传粉者选择假说相比，二者的差别主要体现在某一个性别功能适合度增加的 同时是否导致了另一个性别功能适合度的降低。在传粉者选择行为中，植物是通过 吸引和回报物质的差异吸引传粉者有差异的进行访花，从而提高某一个性别的适合 度，但并没有以降低另一个性别的适合度为代价。而避免性别干扰理论则强调一个 性别功能的获益必然会降低另一个性别功能的适合度。这两个假说的共同之处在于 选择作用只发生在花部结构上，而植食作用选择假说不仅考虑作用于花部结构的选 择压力，也从植食动物取食营养器官的角度来考虑植物性系统的进化。实际上，从 广义的角度看，相当部分的植食作用选择驱动的性系统进化都可以归结到避免性别 干扰上来。甚至避免自交都可以看成是避免雄性功能对雌性功能的干扰。

第四节 结论与展望 自 17 世纪末确定植物存在雌雄两种相对的性器官以来，对植物性系统的研究 已经积累了大量的数据。雌雄异株是雌雄两种性器官在个体水平上分离的一种性系 统，在被子植物中广泛分布。雌雄异株植物多表现为木本、营攀援生长、依靠非生 物媒介传粉，果实肉质，主要靠动物散布。在岛屿环境中，雌雄异株发生的频率更 高。一般认为雌雄异株是由雌雄同花状态经雌全异株、雌雄同株等途径进化而来的。 雌雄同株途径可能是雌雄异株进化的主要途径，但当前的研究大多集中在雌全异株

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途径上。异型花柱、雌雄异型异熟、二重雌雄异熟等也可能是向雌雄异株进化的中 间阶段。 长期以来，对于雌雄异株的进化机制有过广泛的争论。主流观点认为是促进异 交（即避免自交）驱动了雌雄异株的进化。只要雌性个体的种子产量与雌雄同花个 体的种子产量相同，而雌雄同花个体存在一定程度的近交衰退，那么雌性个体将受 到选择。避免自交理论认为由于性别分离造成的后代“量”上的不足可以由“质” 上的提高而得到弥补。有些证据支持避免自交在雌雄异株进化过程中的作用，尤其 是经雌雄异花同株向雌雄异株进化的途径中避免自交的作用可能更重要。但是，避 免自交可能不是雌雄异株进化的唯一原因。如果雌雄同花个体不存在近交衰退，那 么避免自交的优势就不复存在。于是，人们开始从资源补偿的角度来研究雌雄异株 的进化机制，即对繁殖的雌雄两个性别功能进行有差别的选择驱动了雌雄异株的进 化。如果雌性个体的种子产量是雌雄同花个体种子产量的两倍，那么由于雄性功能 丧失损失的适合度可以通过雌性适合度的显著增加得到补偿，这就是资源再分配理 论的核心思想。近些年来，越来越多的工作都是从繁殖资源在雌雄两个性别功能之 间优化分配提高适合度的角度来考察雌雄异株的进化机制。而这方面的工作重点是 考察单性突变体入侵两性种群的条件。一旦一个性别的突变体成功侵入两性种群， 那么在选择的作用下，另一个性别的个体也将顺利侵入种群，从而形成雌雄异株的 性系统。迄今为止，从资源优化分配角度研究雌雄异株进化，无论是理论模型研究， 还是实验研究，都已经积累了相当多的资料，并且已经逐渐达成了共识。除此而外， 传粉者有选择性的访问行为、植食动物的偏好性取食对雌雄异株的进化可能也有重 要的影响。 但是，我们应该看到在雌雄异株性系统的研究中还有许多问题有待解决。尽管 经雌雄同株向雌雄异株进化可能是最主要的途径，但这方面的研究还相对欠缺。雌 雄异株的几条进化途径，都有待于给出强有力的证据。寻找雌雄异株在地理、系统 发育、生长型等方面的分布格局以及这些格局形成的机制，可能为研究雌雄异株的 进化提供一些新的视角。就雌雄异株的进化机制而言，避免自交是不是一直都在起 作用？而且，单性进化的理论研究作了许多假设，忽略了许多生物学实际问题。雌 雄异株的进化理论还应该考虑更多的生态因子和遗传因子。将决定性别的遗传因子 与性别分配理论结合起来，可能会得到令人满意的雌雄异株进化理论。

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364

第九章 雄全同株 廖万金、张大勇 雄全同株（即雄花和两性花同株）植物的所有个体都同时产生雄花和两性花 （Symon 1979）。具有雄全同株性系统的物种在被子植物中所占的比例约为 1.7% （Yampolsky & Yampolsky 1922）。已知的资料表明：雄全同株在茄科（Solanaceae）、 伞形科（Umbelliferae）、百合科（Liliaceae）、西番莲科（Passifloraceae）、桃金娘 科 （ Myrtaceae ）、 苦 苣 苔 科 （ Gesneriaceae ）、鼠 李 科 （ Rhamnaceae ）、 紫 葳 科 （ Bignoniaceae ）、 苏 木 科 （ Caesalpiniaceae ）、 七 叶 树 科 （ Aesculus ）、 瑞 香 科 （Thymelaeaceae）、叶柄花科（Cneoraceae）、槭树科（Aceraceae）、Capparaceae、 Panicoideae 等科中出现。 一般认为雄全同株是从雌雄同花（也称两性花或完全花）进化而来的（Lewis 1942），代表着雌雄同花向雌雄异花同株、雄全异株或雌雄异株等性系统转变的一 个中间阶段。雄全同株的形成是由于部分两性花雌蕊退化的结果（Primack & Lloyd 1980, Bertin 1982a, b），或者是其两性花祖先在产生两性花之外又产生了雄花所致 （Anderson & Symon 1989）。但是也有人认为雄全同株是由雌雄异花同株进化而来 的，雌雄异花同株植物的雌花又发育出了雄蕊形成雄全同株（Huang 2003）。对于 雄全同株的选择压力，曾经有过多种假说，如避免自交、增加花粉/胚珠比值 （Pollen:Ovule ratios）、降低可育子房被捕食的几率等。Bertin（1982b）对此进行 过专门讨论，认为最优资源分配假说（optimal resource allocation hypothesis）可能 最能解释雄全同株性系统的进化与维持，现有数据大多都支持这一假说（如 Primack & Lloyd 1980, Solomen 1986, 廖万金等 2003）。近年来又有人提出雄全同株是植物 通过自交以保障繁殖的一种适应策略（Huang 2003），但这一假说还有待进一步的 验证。 本章将首先对两性花和雄花的时空模式以及性比率等表型性状的可塑性进行 简要说明，然后对雄全同株性系统的进化意义做扼要介绍，最后将简单概括雄全同 株性系统的进化方向。

第一节 两性花和雄花的时空模式和比率 两性花和雄花在植物体或者花序上的相对位置在不同的植物中有着各种不同 的着生方式。扫帚叶澳洲茶（Leptospermum scoparium）的两性花大多生长在顶生

365

的花序上，或者在某些花序的顶端（Primack & Lloyd 1980）。在藜芦（Veratrum nigrum）（廖万金等 2003）、百合科棋盘花属植物 Zigadenus paniculatus（Emms 1993）中，顶生花序主要着生两性花，侧生花序主要由雄花组成，但在某些侧生花 序的基部也着生两性花。茄科植物 Solanum carolinense 的两性花往往着生在花序的 基部，雄花着生在花序顶端（Solomon 1985）。此外，雄花和两性花还可能杂乱地 组成伞房花序，如槭属（Acer）的一些植物。 就开放时序而言，在不同的植物中两性花和雄花也不尽相同。S. carolinense 先 开放的花序中，雄花占有相当大的比例，而在后期开放的花序中，却主要是两性花 （Solomon 1985）。但更常见的开花时序是两性花先于雄花开放，并且两性花往往 是雄性先熟（Bertin 1993，参见第六章）。例如在藜芦中，顶生的两性花先开放， 侧生的雄花后开放，尽管二者存在一定程度的重叠，如图 9-1 所示（廖万金等 2003） 。 210

90 75

正在开放的花数量

个体逐日累积开花数

180 150 120 90 60

60 45 30 15

30

0

0 1/8 4/8 7/8 10/8 13/8 16/8

日期（日/月）

1/8

4/8

7/8 10/8 13/8 16/8

日期（日/月）

图 9-1 藜芦个体开花数随时间变化关系的一个典型实例。图中实线代表两性花，虚线代表 雄花（廖万金等 2003） 。

但是，尽管在涉及雄全同株的研究报告中大多都描述了两性花和雄花的相对位 置关系以及两性花和雄花的开放时序，却很少有人对此给出明确的解释。Solomon （1986）对 Solanum carolinense 两性花和雄花的相对位置关系曾进行过非常简单的 解释。他发现，花序基部的结实状况要好于花序顶端，雄花所处的位置（花序顶端） 是不可能结实的，所以在花序顶端形成不具有可育雌蕊的雄花不会降低结实率。雌 性功能和雄性功能在时间上错开对于雄全同株植物来说是很常见的（Emms 1993, 1996）。例如，雄全同株植物 Zigadenus paniculatus 在花期末才开雄花，此时继续对 雌性功能投入只能带来很小的（甚至干脆不存在）回报（Emms 1996）。雄全同株 性系统中雄花和两性花的时空模式是不是一种适应还需要大量的实验数据来证实 （Traveset 1999）。

366

雄全同株植物的性表达在个体间、种群间以及时间上都可能是变化的 （Andersen 1990, Diggle 1993, Traveset 1995）。一些物种，包括伞形科的许多物种， 其雄花和两性花的比率是相对恒定的，并不因个体所处的环境条件的改变而发生改 变（Cruden 1976, Lovett Doust 1980, Lovett Doust & Lovett Doust 1983）。而其它一 些物种产生的雄花和两性花的比率会随环境条件的差异发生改变（ Thomson & Barrett 1981, Bertin 1982a, Lovett Doust & Lovett Doust 1983），如茄科茄属的大多数 雄全同株植物的性表达都受水分、温度等环境因子的影响（ Whalen & Costhch 1986）。在可获得的繁殖资源不确定或者在生长季早期不可预知雄性投入和雌性投 入的相对收益的情况下，表型性比率可能更容易发生改变。例如，生长在开放、光 照条件较好的生境中的红花七叶树（Aesculus pavia）比生长在郁闭生境中的个体产 生更多的两性花（Bertin 1982a）。 雄全同株植物性表达状态的这种变化可能是表型可塑的，根据可获得资源（如， 光、水、温度、营养物质）量的不同而发生改变，也可能是受遗传控制的。生态学 因素，如个体的资源状况，对性比率的影响可能比遗传学因素的影响更重要（Diggle 1993, Emms 1993, Traveset 1995）。Diggle（1993）对茄属植物 Solanum hirtum 的性 表达研究表明，个体所获得的资源状况部分地决定了同一基因型不同个体的性比 率，因而她认为是发育的可塑性对选择发生了应答，而且这种发育系统的进化在 S. hirtum 雄全同株的建立和维持过程中起到了一定的作用。但总的说来，到底是表 型可塑性还是遗传因子决定了雄全同株植物的性表达还知之甚少，没有统一的认 识。即使是表型可塑的，那么又是哪一类生态因子或者哪几类生态因子在对雄全同 株植物的性表达起作用？

第二节 雄全同株的进化意义 一般认为，雄全同株是由雌雄同花进化而来，处于向雌雄异株进化的一个中间 阶段（Symon 1979, Primack & Lloyd 1980, Bertin 1982b），所以，对促进稳定的雄全 同株性系统发生的生态力量和进化力量的研究也引起了广泛的关注。到目前为止， 对于雄全同株性系统在进化上和生态上的利益还没有一个统一的认识。一些研究人 员认为根据传粉者具体的访花行为，雄全同株可以降低自交（Anderson & Symon 1989, Spalik 1991），促进异花授精（Heithaus et al. 1974）。而另一些人认为雄全同 株本身并不是一种促进异交的机制（Primack & Lloyd 1980, Bertin 1982b, Whalen & Costhch 1986），反而是通过自交保障繁殖的一种适应（Huang 2003）。现在，更多 的研究人员都是从资源分配的角度来考察植物性系统的进化，最有可能的一种解释 就是雄全同株是有限的繁殖资源在雌雄两个功能之间优化分配的一种适应机制 （Bertin 1982a, b, Willson 1983, Spalik 1991）。

367

一、避免自交 最初，人们通常都认为雄全同株性系统进化的选择压力就是促进异花授精，雄 全同株是适应异交的一种机制（取决于传粉者具体的访花行为） （Heithaus et al. 1974, Anderson & Symon 1989, Spalik 1991）。他们发现雄全同株植物雄花和两性花在花序 上的相对位置通常都遵循一定的模式，如 Solanum carolinense 的两性花往往着生在 花序的基部，雄花着生在花序顶端（Solomon 1985）；而在伞形科植物中，两性花 通常着生在花序的边缘，雄花长在花序中央（Lovett Doust 1980）。如果传粉者的觅 食行为是从两性花部分开始，到雄花部分结束，那么雄全同株就会促进花粉的散布， 同时不会提高自交率。而要保证传粉者这种访花行为的发生只需要花蜜在浓度或者 体积上存在一个梯度变化（Cruden et al. 1983）。 但是，促进异交这一说法对于雄全同株可能是不完全的。首先，雄花中雌蕊退 化并不一定必然会导致花粉或者胚珠异花授精机会的增加。再者，如果说雄花中雌 蕊退化，节约了资源，从而能够产生更多的雄花，那么由于同株异花传粉机会的增 加可能反而会导致两性花和雄花异交程度的降低（Primack & Lloyd 1980）。雄全同 株本身可能并不是一种适应异交的机制。它不能解释“为什么许多雄全同株植物本 身就存在自交不亲和机制（Zapata & Arroyo 1978）？”这一现象（Bawa & Beach 1981）。事实上，已经研究的许多雄全同株植物都存在自交不亲和、个体内雄花和 两性花不同时成熟等促进异交的选择压力（Webb 1976） 。既然已经存在自交不亲和 等促进异交的机制，那么将雄全同株性系统的进化看作一种适应异交的机制可能有 些牵强。而且，用避免自交（及近交衰退）来解释雄全同株的进化，仅仅是从雌性 适合度的角度考察植物的繁殖成功，而忽略了雄性功能对适合度的贡献。 Bertin （1982b）对雄全同株进化的几个假说进行了详细的讨论，认为最优资源分配假说 是最有可能的一种解释。

二、最优资源分配假说 近 20 多年来，从繁殖资源在雌雄两个性别功能之间的优化分配来考察植物性 系统进化的研究越来越多（Lloyd 1979, Primack & Lloyd 1980, Bertin 1982a, b, Charnov 1982, Lovett Doust & Lovett Doust 1983, Lloyd & Bawa 1984, Solomon 1986, 。Bertin（1982b）曾经讨论并否定了关于雄全同株选择压力的几个假 Spalik 1991） 说。如，避免自交，增加花粉/胚珠比值（Pollen:Ovule ratios） ，降低可育子房被捕 食的几率等等。最后，Bertin（1982b）提出了最优资源分配假说来解释雄全同株的

368

进化和维持。根据最优资源分配假说，一旦通过果实生产实现的雌性适合度已经接 近饱和，继续在雌性功能上投入就意味着是一种资源浪费，因而产生只具有雄性功 能的花将会是一种经济而有效的繁殖策略。也就是说，雄全同株植物产生的雄花和 两性花的比率实际上反映了一种资源分配模式，在这种分配模式下，植物通过雄性 途径（两性花和雄花总共的花粉产量）和雌性途径（两性花的果实产量）获得的总 适合度将达到最大。 生产雄花导致适合度增加的原因包括：（1）更大的花序可以吸引更多的传粉 者，既可提高结实率又可增加后代的遗传多样性（Willson & Price 1977, Symon 1979, ；（2）雄花作为花粉供体可以提高个体的雄性适合度（Janzen 1977, Podolsky 1992） Willson & Burley 1983, Sutherland & Delph 1984, Elle & Meagher 2000）；（3）生产雄 花需要的能量和营养物质比生产两性花要少（Primack & Lloyd 1980, Bertin 1982b, Solomon 1986），能够节约资源投入。在对百合科多年生草本植物藜芦的研究中发 现，从花的大小和生物量两个方面看，生产雄花所需要的绝对资源量都要比生产相 等数量的两性花所需的资源少。而两性花和雄花的雄蕊数量都为 6 枚，平均每朵花 的花粉粒数量也无显著性差异，即二者执行雄性功能的潜能是基本等同的。所以在 执行等同的雄性功能的前提下，生产雄花消耗的资源更少，雄花是一种更有效的资 源利用形式（廖万金等 2003）。这与 Bertin（1982b）提出的最优资源分配假说是 一致的。此外，关于 Solanum carolinense（Solomon 1986）、扫帚叶澳洲茶（Primack & Lloyd 1980）等材料的研究结果也与此类似。

（一）雄全同株进化的资源分配理论模型 雄全同株起源于雌雄同花并将向性别分离方向发展的观点已经得到了广泛认 同，尽管最近有人认为雄全同株是由雌雄异花同株演化而来的。关于雄全同株性系 统发生的方式、选择压力等都有过许多研究。Spalik（1991）将最优繁殖功能看作 是繁殖资源在开花与结实之间的最优分配，建立了雄性生育力和雌性生育力与资源 投入的关系式，并利用 Charlesworth & Charlesworth（1978）给出的适合度函数分 析了雄全同株植物处于进化稳定状态时分配给雄花的资源比例。 假定用于有性繁殖的资源有限，而且这些资源只分配给花和果实。令 h 和 f 分 别代表雌雄同花植物分配给花和果实的资源比例，那么

h + f =1

（9-1）

假定花和果实是资源分配的固定单位，并且每朵花的花粉粒数量和每个果实的种子 数量相对恒定。令 c、p、o 分别代表每朵花附属结构（花萼、花冠等） 、花粉和胚 珠的成本，k 表示包含种子的单个果实的成本，A 表示结实率。如果雄性生育力 Fm 与花粉产量成正比，也就是说与花数量成正比，可得：

369

Fm ∝

h c+ p+o

（9-2）

如果两性花的数量乘以结实率大于个体所能产生的果实的数量，即：

Ah f > c+ p+o k

（9-3）

并且假定雌性生育力与果实的数量成正比，那么雌性生育力 Ff 可表示为：

Ff ∝

f k

（9-4）

但是，如果两性花的数量乘以结实率小于个体所能产生的果实的数量，那么雌性生 育力将受到两性花的产量和结实率的限制：

Ff ∝

Ah c+ p+o

（9-5）

显然，两性花的数量与结实率的乘积刚好等于个体所能产生的果实数量时，即

Ah f = c+ p+o k

（9-6）

雌性生育力

雌性生育力将达到最大，如图 9-2 所示。

图 9-2 雌性生育力随分配到两性花 的资源比例 h 变化的函数，h*表示 雌性生育力最大时的资源分配比例 （Spalik 1991） 。

h*

h+f

当雌性繁殖功能达到最大值后，部分两性花将只行使雄性功能。对于这些只行 使雄性功能的花，如果不产生多余的胚珠将可以节约出部分资源。令 m 等于分配 给雄花的资源比例，那么：

m+ h + f =1

370

（9-7）

如果两性花和雄花形成的花粉粒数量相同，那么雄性生育力可以写作：

Fm ∝

h m + c+ p+o c+ p

（9-8）

现在，我们的问题是：进化稳定时分配给雄花的资源比例 m 等于多少？ 根据 Charlesworth & Charlesworth（1978）给出的适合度公式，刚侵入种群的 一个突变个体的总适合度 W（包括雄性适合度和雌性适合度）为：

W ∝ [2 s (1 − δ ) + 1 − s ]× F f + Fm × (1 − s )

F f* Fm*

（9-9）

*

*

其中，s 表示自交率，δ表示近交衰退， F f 和 Fm 分别表示雄全同株突变体侵入时 种群内平均每个体的雌性和雄性生育力， F f 和 Fm 表示突变体的雌性和雄性生育 力。 假定产生的两性花足以耗尽用于形成果实的所有资源。将（9-1）-（9-4）式代 入适合度公式（9-9），可将雄全同株突变体的适合度表示为 m 的函数：

W ∝ [2 s(1 − δ ) + 1 − s ]

A(1 − m ) c + p + o + Ak

(

)

  m A 1 − m * (c + p + o + Ak ) 1− m (1 − s ) * +  + m (c + p ) + 1 − m * (c + p + o + Ak )  c + p c + p + o + Ak 

(

)

对 m 求微分得：

(

)

 1 − m * (o + Ak )(1 − s )  dW A   − [2 s (1 − δ ) + 1 − s ] + = dm c + p + o + Ak  m * (o + Ak ) + c + p  令导数等于 0，可得进化稳定的 m 值为：

m=

1− s 2 s(1 − δ ) + 1 − s p+c − × 2[s (1 − δ ) + 1 − s ] o + Ak 2[s (1 − δ ) + 1 − s ]

（9-10）

由（9-10）式可以看出：每个胚珠的成本越高、结实率越高、近交衰退越剧烈，分 配给雄花的资源比例就越大。而如果形成花粉和附属结构的成本越高、自交率越高， 分配给雄花的资源比例就越低。只要 m > 0 ，雄全同株就可以发生，也就是说当

o + Ak >

2s (1 − δ ) + 1 − s (c + p ) 1− s

（9-11）

时，植物就可能采取雄全同株这一策略。

371

在该模型的基础上，Spalik（1991）进一步讨论了促进雄全同株性系统发生的 条件。平均每个果实的成本相对较高、自交率相对较低、雄性生育力随分配给开花 的资源量的增加而增加，是促进植物增加雄性投入的三个标准条件。而真正促进雄 全同株性系统进化和维持的条件是：（ 1 ）吸引器官和花粉产生的成本相对较低； （2）平均每个胚珠的成本和结实率相对较高，也就是说，减少胚珠生产可节约出 较多的资源； （3）平均每朵两性花的花粉数量的进一步增加不再有利于提高雄性适 合度，调节花粉总产量更多地是通过花的数量来调节，而不是通过每朵花的花粉数 量来调节。这三个条件将增加花部展示、促进雄全同株性系统的进化（Charlesworth & Charlesworth 1978, Lloyd 1979, Primack & Lloyd 1980, Charlesworth & Charlesworth 1981, Bertin 1982b, Spalik 1991）。

（二）供体假说 Bertin（1982b）等人的研究表明雄全同株植物形成的两性花的数量要大于发育 成果实的花的数量，即使在人工授粉的情况下也是如此（Solomon 1985）。这说明 产生的两性花已经足以满足子房的发育，那么接下来的问题就是除了两性花而外， 雄全同株植物产生的雄花有什么作用？人们分别从雌性功能和雄性功能两个角度 对雄花的功能给出了解释。一般认为，雄全同株植物的雄花可以执行两个功能：（1） 雄花的存在形成了一个更大的花部展示，增大了对传粉者的吸引力，使得到达两性 花的同种植物的花粉数量和质量增加，从而增加了两性花的雌性繁殖成功（吸引假 说，attraction hypothesis） （Willson & Rathcke 1974, Podolsky 1992） 。（2）另一个功 能就是供体假说（donor hypothesis），即雄花作为花粉供体而存在，雄花提供的花 粉可以由传粉者转运到其他植株，从而增加了雄性繁殖成功（Stephenson & Bertin 1983）。花粉供体假说在本质上是建立在资源分配基础上的。一方面，由于不需要 形成雌蕊等结构，节约了资源投入；另一方面，雄花作为花粉供体存在，产生的花 粉可以通过传粉者转运到其他个体的柱头上，通过雄性途径产生后代。在执行雄性 功能上，雄花等同甚至超过两性花(廖万金等 2003, Huang 2003)。在相等的资源投 入条件下，雄花可以得到更大的适合度受益。所以花粉供体假说实际上就是一种最 优资源分配假说。针对雄全同株性系统中雄花的功能假说，已经有多项研究对其进 行了检验（Janzen 1977, Bawa & Beach 1981, Willson & Burley 1983, Wyatt 1983, Sutherland & Delph 1984, Solomon 1987, Podolsky 1992, 1993, Elle & Meagher 2000）。 Podolsky（1993）用蜂鸟传粉的贝思乐苣苔属植物 Besleria triflora 对花粉供体 假说进行了检验。结果发现两性花散布花粉的时间显著长于雄花散布花粉的时间， 而且传粉者每访问一次从两性花上带走的花粉数量也大于从雄花上带走的花粉数 量，但二者在资源投入上却没有显著差异，所以雄花并没有直接通过雄性功能提高

372

植物的繁殖成功，因而不支持关于雄全同株植物雄花功能的花粉供体假说。 但与此相对，在 Solanum carolinense 中，雄花所占比例越高，个体的雄性适合 度就越大，但雄性适合度并不随个体产生的总花数的增加而增加，这可能是花内雌 雄器官之间存在干扰的缘故（Elle & Meagher 2000）。在蜂类传粉的一些植物中， 雄蕊排成一个圆锥形，雌蕊突出，这可能对花粉的转移和沉降是一种有效的适应 （Buchmann 1983, Harder & Barclay 1994），但是突出的雌蕊同时也可能阻止传粉者 与花药有效接触，使传粉者远离雄蕊，并因而阻止花粉附着在传粉者身体上。而在 雄花中，由于雌蕊的极度退化，传粉者可以毫无阻拦地停靠在花药上（ Solomon 1985），所以，雄花花粉的转移比两性花更有效得多，雄花作为花粉供体能有效地 提高个体的雄性适合度（Elle & Meagher 2000） 。越来越多的研究支持雄全同株性 系统中雄花功能的花粉供体假说（Janzen 1977, Willson & Burley 1983, Sutherland & Delph 1984, Solomon 1985, Elle & Meagher 2000）。

三、吸引假说 吸引假说是独立于资源分配理论框架之外的一种假说。吸引假说只是从花序大 小与传粉者的访花频率的关系讨论了雄花的功能。该假说认为雄花的存在增加了花 部展示，从而增加了对传粉者的吸引能力，提高了传粉者的访问频率，保证有更多 的花粉到达柱头表面进行受精繁殖，增加了植物的雌性适合度收益。 Solomon（1987）利用自交不亲和的雄全同株植物 Solanum carolinense 对吸引 假说进行了检验。Solomon 首先建立了两个遗传上完全相同的群体，在一个群体中 进行去除雄蕊、去除雄蕊后人工授粉、对照三种处理，而在另一个群体中进行去除 雄花和对照两种处理。去除雄蕊后结实率由 77%锐减到 5%，而去除雄蕊并进行人 工授粉个体的结实率却达到 50%，这一方面说明去除雄蕊这一操作本身对结实率的 影响不大，另一方面说明雄性器官（两性花和雄花都具有）是 S. carolinense 吸引传 粉者的主要器官。在另一组实验中，去除雄花后结实率 82%与对照组的结实率 88% 并没有显著差异。所以 Solomon 认为，对于 S. carolinense，吸引传粉者的主要结构 是雄蕊，而非雄花，吸引假说不能作为雄全同株性系统中雄花进化的一种适应性解 释。 与此相反，Podolsky（1992）用蜂鸟传粉的 Besleria triflora 对吸引假说进行检 验后，认为正是雄花的存在增大了吸引传粉者的功能才驱动了雄全同株这一性系统 的进化。Podolsky 的实验表明花序越大，传粉者的访问频率越高。由于 B. triflora 的种子产量受花粉限制，因此，吸引传粉者能力增加直接导致了雌性生育力的增加。 但是，两性花和雄花都能增加花序大小，二者对于花粉输出和花粉接收的影响 有无差异？Podolsky（1992）使一组个体的花序只由 10 朵两性花组成，而另一组

373

个体的花序由 5 朵两性花和 5 朵雄花组成，发现这两种处理在花粉输出即雄性功能 方面没有显著差异，平均每朵两性花输出的花粉数分别为 1199.9 粒和 992.3 粒，但 是在花粉接收即雌性功能方面却差异显著，完全由两性花组成的花序中平均每朵两 性花接收的花粉数为 1075.8 粒，产生了 818.0 条花粉管，而由两性花和雄花组成的 混合花序中平均每朵两性花接收的花粉数为 2162.3 粒，产生 1689.2 条花粉管。也 就是说，只有当雄花用来增加花序大小时，才会显著增加接收的花粉数量。 接下来的问题是，为什么两性花和雄花在行使增加花序大小功能时会有如此大 的差异？Podolsky 的进一步实验表明雄花不会从传粉者身上带走花粉，从而能够有 效地保证外源花粉集中沉降在可育的两性花的柱头上。所以，Podolsky（1992）认 为在雄全同株性系统中正是雄花的存在增大了对传粉者的吸引能力，单性雄花的适 应意义在于提高了两性花的授粉效率，即植株的雌性功能。可以肯定，B. triflora 雄花的存在的确提高了植物的雌性功能。但是 Podolsky（1992）的解释并不完全， 因为他只是从雌性功能的角度考察植物的适合度，而忽略了雄性功能对总适合度的 贡献。 Harder & Barrett （ 1996 ）则从雄性适合度的角度进一步完善了对 Podolsky （1992）实验的解释。即使额外的雄花和两性花同等程度地增加了 B. triflora 对传 粉者的吸引，也是雄花而非两性花更有效地增加了植物的雄性生育力，因为额外的 两性花的存在增加了同株异花授粉的几率，使得 B. triflora 遭受强烈的近交衰退 （Podolsky 1992）。Harder & Barrett（1996）认为，雄花由于没有雌性器官，一方 面降低了同株异花自交和花粉贴现，另一方面不会干扰花粉向外散布，因而可比两 性花更能提高植株的雄性生育力。添加雄花比添加两性花对提高植物的雄性繁殖成 效更有利。B. triflora 的雄全同株策略代表了一种独特的适应机制，使植株既增强 了对传粉者的吸引力，同时又不会造成严重的花粉贴现，从雄性功能和雌性功能两 个方面同时提高了植物的适合度（Harder & Barrett 1996）。 从性别干扰的角度看，雄全同株策略实际上降低了雌雄性别功能的干扰。雄花 雌性器官的退化降低了雌性功能对花粉散布的物理干扰，而降低同株异花授粉和花 粉贴现也在一定程度上避免了雌性对雄性功能的干扰（Harder & Barrett 1996）。

四、繁殖保障假说 不管是最优资源分配假说，还是传粉者吸引假说，都不能很好地解释为什么雄 全同株和雌雄异花同株两种性系统会在同一个属中同时存在，因为根据这两个假 说，雄全同株性系统中雄花所获得的适合度收益，雌雄异花同株性系统中雄花也能 获得同样的收益。所以 Huang（2003）提出，对于雄全同株和雌雄异花同株这两种 性系统共存的属中雄全同株的发生，可能不应该强调“为什么要产生雄花”，而更

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应该关注“为什么会形成两性花，而不是雌花？” 慈菇属（Sagittaria）约有 20 多个物种，大多都是雌雄异花同株的，两种一年 生植物 Sagittaria guyanensis 和 S. calycina 表现为雄全同株，另有一些雌雄异株物种。 并且雌雄异花同株极有可能是该属原始的性系统，雄全同株和雌雄异株是雌雄异花 同株进化而来的（Barrett et al. 2000） 。雌雄异花同株性系统向雄全同株进化，可能 是因为雌花中发育出雄蕊形成两性花能够进行自交，从而保证一定的种子产量，即 繁殖保障假说。 Huang（2003）对自交亲和的雄全同株植物 Sagittaria guyanensis ssp. Lappula 开展了套袋实验和传粉生态学观察，结果发现对两性花套袋并没有降低结实率，但 去除雄蕊却降低了结实率，加之传粉者相对缺乏， 所以，Huang 认为 S. guyanensis ssp. Lappula 主要通过自发的自花授粉（autonomous self-pollination）来保证受精结实。 也就是说，雄全同株性系统中两性花的雄蕊主要是通过提供繁殖保障效应而受到选 择的。

第三节 雄全同株的进化方向 植物最普遍的性系统是雌雄同花，在被子植物中约占 75%，被认为是最原始的 性系统。植物性系统的进化趋势普遍是从雌雄同花向性别分离的单性方向发展 （Darwin 1877, Lloyd 1979, Casper & Charnov 1982, Muenchow & Grebus 1987, Charlesworth 1989, Renner & Ricklefs 1995, Charlesworth 1999），目前由雌雄同花向 雌雄异株方向进化的可能性已经被广为接受，并且在被子植物的 16 个科中得到了 很好的验证（Webb 1999）。 关于植物性系统进化的驱动力，Darwin（1877）从经济学的角度提出，在一定 条件下，繁殖资源在雌雄两个性别功能之间有差异的投入能导致更高的效率。雄全 同株不大可能一步就进化到雌雄异株（即雌性功能和雄性功能在个体水平上分离）， 但是，如果雌性功能和雄性功能在花水平上分离，雄花只作为花粉供体在花粉的产 生和散布方面可能效率更高，而雌花只作为花粉受体接受花粉的效率可能也会更 高，从而产生更多的后代，所以，雄全同株最有可能通过两性花的雄蕊败育向雌雄 异花同株方向进化，尽管还没有确切的证据（Bawa & Beach 1981）。 传粉机制在雄全同株向雌雄异花同株进化过程中可能扮演着一个重要的角色 （Bawa & Beach 1981）。如果雌性适合度（接受花粉）达到最大的条件与雄性适合 度（输出花粉）达到最大的条件差异很大，而且雌花和雄花的相对位置对其影响很 大，那么两性花中的雄蕊就可能退化。例如，在一些虫媒传粉的植物中，传粉者通 常从花序的下部自下而上进行取食活动，此时如果花序下部的两性花转变为雌花， 必然会降低自交及由此带来的近交衰退，增加个体的适合度。另外，如果两性花在

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输出花粉和接受花粉两个方面存在干扰，尤其是在传粉机制不十分精确、花小并紧 密排列在花序上时，两性花的雄蕊也可能败育或退化（Bawa 1980, Bawa & Beach 1981），向雌雄异花同株方向进化。但另一种观点恰好相反，认为雌雄异花同株是 更原始的性状，雄全同株是由雌雄同株进化而来的（Barrett et al. 2000, Huang 2003）， 这一观点可能还需要大量的实验验证。

第四节 结论与展望 自从人们认识到植物中存在雌雄两种相对的性器官就已经开始了对植物性系 统的研究，至今已有数百年的历史。但是，对于雄全同株性系统的研究开展得相对 晚一些，主要集中在 20 世纪的最后 20 多年中，分别从理论模型研究和实验研究两 个方面对雄全同株表型性状的可塑性、雄花的功能、雄全同株的进化与维持进行了 比较系统的研究。我们已经知道雄全同株性系统中两性花和雄花在花序上的相对位 置、开放的顺序以及二者的比率在不同的物种中有很大的差异，而且，两性花和雄 花的相对多少受个体可获得资源状况等因素的影响。雄花的功能和雄全同株性系统 的进化一直是备受关注的问题，但是，由于方法技术上的滞后，以前的研究只能从 观察和简单的受控实验中初步探讨这些问题，提出了传粉者吸引假说、花粉供体假 说、避免自交和繁殖保障假说来解释雄全同株的进化。但任何一个假说都没有得到 广泛接受。 随着遗传标记技术（如等位酶、RAPD、AFLP、ISSR 等）的发展，我们可以 从蛋白质水平和 DNA 分子水平上来讨论雄全同株的进化问题。针对雄全同株的进 化，今后的研究可能仍将集中在雄花的功能、雄全同株的起源与进化方向等问题上。 借助遗传标记进行亲本分析，确定每一粒种子的父本和母本，可以考察雄花是否作 为花粉供体而存在，即增大了个体的雄性适合度。在遗传标记基础上建立分子系统 树探讨进化问题是一个常用的手段。建立含有不同性系统的科属的系统进化树则可 以确定植物性系统的进化方向，再根据系统发生上独立的对比（ phylogenetically independent contrasts，即去除了共同祖先的影响）在各个性状上的不同表现，可以 验证雄全同株发生的诸多条件。总之，随着理论与技术的发展，雄全同株性系统进 化的一些主要问题必然会得到解决。

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第十章 分子标记技术 廖万金 植物的存活、生育力、基因流等方面的变异经常导致种群内和种群间等位基因 频率发生改变。同时，要理解对特定生态环境的适应过程就必须对植物的交配系统、 传粉机制、基因流等进行深入的研究。对这些问题的研究往往需要利用一些不影响 生物表型性状的遗传标记。等位酶标记在研究种群机制方面做出了很大的贡献。最 近 20 多年来，各种各样的 DNA 分子标记技术的迅速发展更是为植物进化生态学 中诸多问题的研究提供了技术平台，在确定个体繁殖成效、测定自交率和基因流、 度量遗传分化程度等方面得到了广泛的应用。 交配系统和基因流研究是植物进化生态学研究的两个重要课题。植物的交配系 统不仅决定了种群未来世代的基因型频率，对植物种群的有效大小、基因流和进化 等因素也有重要的影响（葛颂 1998）。通过对基因流的研究，我们就可能对种群分 化等种群遗传学内容和植物的繁殖过程进行深入的研究。近来，通过分子标记，估 计种群自交率、确定种群内的交配格局、借助亲本分析的方法直接测量基因流、或 者借助种群遗传学模型间接推导基因流以及进行克隆鉴定等方面的工作正在逐渐 增多。 面对各种各样的分子标记，如何针对特定的问题选择恰当的分子标记，是亟待 解决的问题。这就需要我们弄清各种分子标记的基本原理、实验流程是否繁杂、有 无成熟的数据处理方法、各种分子标记的优缺点以及它们的适用范围。选择好了分 子标记之后，还必须确定如何根据分子标记获得的数据解决具体的问题，如交配系 统和基因流的研究。首先要确定解决某一特定问题需要测量的参数及其依附的理论 模型，有时甚至包括模型假设，然后根据各种分子标记在这方面的优缺点进行取舍， 最终找到既能解决问题又最有效的分子标记。 本章对广泛应用于植物进化生态学领域的等位酶标记和各种 DNA 分子标记进 行简单的描述，扼要地阐明各种标记的原理、实验流程和数据处理的相关方法，简 要评价各种方法的优缺点，并在此基础上说明各种标记的主要用途。其次，我们将 讨论植物交配系统和基因流研究的意义、内容和方法，并以此为切入点，归纳各种 标记在测量种群自交率、父系分析、种群内和种群间基因流等研究中的作用和具体 的操作方法。

第一节 等位酶标记与 DNA 分子标记

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遗传标记作为检测个体间遗传差异的方法在进化生态学中有着非常重要的作 用。早期的植物种群生物学研究一般都采用形态上的多态性状来检测个体间遗传差 异。这些形态标记在早期的一些研究中（Epling & Dobzhansky 1942, Faberge 1943） 起到了积极的作用，但是基于表型变异的形态标记通常只受一个位点控制，许多表 型性状（如花色等）必须在生活史后期才能度量，而且对大多数植物而言都很难找 到合适的形态变异，所以，形态标记有很明显的局限性（Cruzan 1998） 。随着电泳 技术的发展，在蛋白质和 DNA 多态性的基础上相继发展了蛋白质标记（如，等位 酶）和 DNA 分子标记（如，RFLP、RAPD、AFLP、SSR、ISSR、SNPs 等）。

一、等位酶 等位酶（allozyme）是指同一基因位点的不同等位基因所编码的一种酶的不同 形式（Prakash et al. 1969） 。同源染色体上不同的等位基因实际上是一段不同核苷酸 序列的 DNA 链，经过转录和翻译过程，最后将编码具有不同构象和大小的蛋白质 亚基，在电场中，不同的蛋白质亚基由于带电量和半径不同其迁移率也不同，表现 在酶谱上，将有不同的迁移距离，从而分辨出不同类型的亚基。反过来，根据酶谱 上分离出来的各个亚基的不同表现（迁移距离相等或者不等），就可以确定该个体 在该位点上是纯合体还是杂合体（图 10-1）。

a1 a

a2

b

a2 b2 b1

b2

图 10-1 等位酶标记的原理与流程（以基因型为 ab 单体酶为例） 。等位基因 a 和 b 实际上是 不同核苷酸序列的 DNA 链 a1 和 b1，通过转录和翻译，编码大小和构象不同的蛋白质亚基 a2 和 b2，通过电泳可将亚基 a2 和 b2 分离。根据蛋白质亚基在凝胶上表现出的带谱可推知 基因型。

进行等位酶分析首先要把各种有功能的可溶性酶蛋白质从植物细胞中提取出 来，并保证这些酶提取出来以后活性基本不变。通常使用的提取缓冲液（extracting buffer）有简单磷酸提取缓冲液、复杂磷酸提取缓冲液、Tris - 马来酸提取缓冲液和

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Tris - HCl 提取缓冲液四种。多数食用植物和花粉可以用简单缓冲液提取，而大多 数野生植物由于含有较多的酚类等有害于酶蛋白质的物质，一般需要用复杂的提取 缓冲液。所以，等位酶分析的第一步就是针对具体的实验材料确定合适的提取缓冲 液（详见王中仁 1996） 。然后进行电泳分离。现在经常使用的有水平切片淀粉凝胶 电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳、醋酸纤维素膜电泳等等，这一过程相对简单，要注意 的是在整个过程中要防止酶失去活性。电泳结束后应立即进行染色。等位酶染色分 为胶染和液染两种，到底采用哪一种染色方法，主要取决于各自实验室的条件、染 色效果以及染色的成本等等。许多研究都提供了各种不同酶系统染色的详细配方 （Soltis et al. 1983, Werth 1985, Pasteur et al. 1988, Wendel & Weeden 1989, Werth 1990）。相对较为困难的是酶谱的判读。对酶谱上呈现的带谱进行解释需要深入理 解每一种等位基因变异的遗传学基础（Richardson et al. 1986, Wendel & Weeden 1989）。在任何酶系统中，在特定的位点上纯合体都只表现出 1 条带，而杂合体则 可能表现出 2 条或 3 条甚至更多的带，这取决于酶蛋白质的四级结构（即酶由几个 亚基组成）。以二倍体植物为例，单体酶的杂合体表现出 2 条带，而二聚体酶的杂 合体表现出 3 条带。Pasteur et al.（1988）、Wendel & Weeden（1989）对二倍体植物 的基因型与酶型的相互关系进行了详细的讨论。 数据处理是等位酶分析的一个非常重要的环节。在计算机技术的推动下，现在 已经发展了许多相应的软件（如 BIOSYS 系列软件、FREQPARS、NTSYS-pc、GENE、 MLT 等）来分析等位基因变异的情况，常用的是 BIOSYS 系列分析软件，如 BIOSYS-1。根据酶谱得到的基因型的原始数据，直接计算出各等位基因频率，将 其代入 BIOSYS-1，可以直接测量种群的遗传变异状况，检验基因型频率和 Hardy Weinberg 平衡的离差，计算 F-统计量，进行异质性卡方分析，计算遗传相似性和 遗传距离系数的变化，构建聚类分析的表现图，以及估计系统发育状况等等。 等位酶标记第一次用比较简单而直观的方法识别出了大量的基因位点和每个 位点的等位基因，能够定量地考察遗传变异。等位酶标记是一个共显性标记 （codominance, 即能够区分杂合子 Aa 和显性纯合子 AA），从酶谱上可以直接确定 编码该等位酶的等位基因，而且等位酶的遗传和表达都遵循孟德尔定律。等位酶分 析的成本相对较低，方法也比较简单。但是，等位酶标记能检测出的遗传变异相对 较少。即使对那些多态位点比例较高的物种，等位酶标记也缺乏足够的变异对自然 种群进行系谱分析（Devlin & Ellstrand 1990, Devlin et al. 1992, Snow & Lewis 1993）。等位酶分析通常都要求有 10 个以上的多态位点，但是，部分植物在大多数 酶位点上都是单态的，而且等位基因的数量也比较少，有 3 个以上等位基因的位点 相当稀少，单子叶植物多态位点的比例为 40%，而双子叶植物多态位点的比例仅为 29%（Hamrick & Godt 1990）。此外，等位酶分析需要在大量的新鲜材料中提取酶 蛋白，这就要求高效率的采集并迅速把新鲜材料带回实验室进行处理，对于分布广 泛、生长在交通不便地区、零星分布或者需要大范围采样的种类而言，取样存在很

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大的困难。尽管如此，等位酶标记目前仍然是植物交配系统分析中利用得最广泛的 技术（Cruzan 1998）。 等位酶分析方法有着较广的应用范围。等位酶作为一种稳定的基因组标记，它 所揭示的酶蛋白质的多态性可以看作是对整个基因组的随机取样，从而对种群的遗 传学结构做出估计，测量种群的遗传多样性以及各种群间的遗传距离。通过对亲本、 子代、以及花粉库的等位酶分析，对比它们等位基因组成、频率和基因型频率的变 化，可以探查植物种群的自交率、基因流等方面的信息（Morgan & Barrett 1990） ， 进行父系分析（paternity analysis）等，以确定植物种群的异交程度和交配格局。在 确定种间界线、探查无性系和地理变异的关系、测定杂种和多倍体植物的起源 （Soltis & Soltis 1989, Werth 1991）、近期系统发育重建等方面，等位酶分析都有着 巨大的潜力。

二、限制性片段长度多态（RFLP） RFLP（restriction fragment length polymorphisms, 限制性片段长度多态）是种 群生物学家最早采用的一种 DNA 分子标记。生物在进化过程中产生的遗传变异大 多都是 DNA 突变引起的。限制性内切酶的靶序列中存在碱基的替换或小的插入与 缺失，酶切片段在数目和大小上就会存在差异。细胞总 DNA 或 cpDNA（叶绿体 DNA）经限制性内切酶消化后，就会产生许多长短不一的连续的片段，不同的 DNA 样品被切割成不同的片段式样，从而产生多态性。酶切片段经琼脂糖凝胶或聚丙烯 酰胺凝胶电泳分离后，对于分子量较小的酶切片段可以直接用溴化乙锭染色进行观 察。但是对于核基因片段，一般需要进行 Southern 杂交。凝胶上带状分布的 DNA 片段转移到尼龙膜或硝酸纤维膜上（即 Southern 印迹），然后用来自 cDNA 文库或 基因组文库的 DNA 片段作为探针进行 Southern 杂交，通过放射自显影就可检测出 限制性内切酶消化产生的复杂的 DNA 片段混合物中各个限制性片段。 早期的 RFLP 标记就是这样一种以电泳和分子杂交为核心的检测 DNA 多态性 的方法。主要包括限制性内切酶消化、凝胶电泳、转膜和 Southern 杂交、放射自显 影几个步骤。RFLP 标记与等位酶一样是共显性标记，能区分纯合子和杂合子，而 且，由于限制性内切酶识别靶序列的专一性，所以，RFLP 标记得到的数据具有较 高的可靠性。相对于形态标记和等位酶标记，RFLP 标记的研究对象是遗传物质本 身，不会受到个体发育阶段和外部环境等因子的影响，得到的结果更稳定。但 RFLP 标记的取得要依赖于限制性内切酶识别位点中碱基的改变或识别位点位置的移动， 这在很大程度上限制了 RFLP 标记的应用。RFLP 标记能提供的多态信息不丰富， 通常不能满足遗传多态性分析的实际要求。而且，以分子杂交为基础的 RFLP 标记 涉及酶切、转膜、分子杂交和放射自显影等过程，步骤繁杂、工作量大，同位素产

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生的放射性污染对人体有害。Southern 杂交本身就是一项耗时且相对昂贵的工作。 与 RAPD 等 DNA 分子标记相比，RFLP 所需的模板量也要大得多。这些不足之处 在一定程度上限制了 RFLP 的广泛应用。 20 世纪 90 年代初期聚合酶链反应（polymerase chain reaction, PCR）技术的出 现是分子生物学领域中方法学上一次具有里程碑性质的革命，它极大地推动了植物 进化生态学的发展。RFLP 与 PCR 技术有机结合形成了效率更高的 PCR - RFLP 分 析技术，即对 PCR 扩增的 DNA 片段进行限制性酶切位点分析。进行 PCR - RFLP 分析，首先要确定选用什么样的 DNA 序列作为研究对象。一般提取细胞总 DNA， 然后用引物将要分析的 DNA 片段扩增出来进行酶切。DNA 序列选择好后，用根据 两翼序列设计的引物进行 PCR 扩增，然后用某些软件（如，DNAsis）将该序列的 酶切位点和相应的内切酶查出来，对扩增片段进行限制性酶切，得到大小不同的酶 切片段，用琼脂糖凝胶或聚丙烯酰胺凝胶电泳进行分离，核酸特异性染料溴化乙锭 染色，在紫外灯下（305nm）观察鉴定（Karl et al. 1992）。 PCR - RFLP 分析只需纳克级的 DNA 作为扩增模板，也不需进行 Southern 杂交 和放射自显影，降低了对实验人员的毒害，与传统的以 Southern 杂交为基础的 RFLP 相比，也更简便更高效。不过，PCR-RFLP 分析过程仍然比较繁琐，需要进行大量 的工作，如 DNA 序列的选择，引物和内切酶的获取等等，而且，有研究表明大约 有超过 30%的引物在普通条件下不能产生足够的扩增片段（Karl et al. 1992）。 RFLP 早期主要用于进化生态学领域，所以早期的相关数据分析软件，如 MEGA、PAUP 和 PHYLIP 等侧重于分析物种之间的相互关系。李海鹏和张亚平 （1999）在位点法的基础上发展了 Rflp 软件分析种下水平种群遗传多样性和遗传 分化等方面的一些参数。目前，已经用 RFLP 标记构建了重要经济作物的遗传图谱 （Chang et al. 1988, Tanksley et al. 1989, Tanksley et al. 1992）。RFLP 标记在种群遗 传学和系统发育研究中也有重要的作用，可用来评估种群内和种群间变异的程度 （Quijada et al. 1998） 、基因流水平（Arnold et al. 1991）、植物地理（Liston 1992）、 亲缘关系分析（Rieseberg et al. 1988）、系统进化（Rieseberg et al. 1992）等。

三、随机扩增多态 DNA（RAPD） RAPD（random amplified polymorphic DNAs, 随机扩增多态 DNA）是 20 世纪 90 年代初在 PCR 基础上发展起来的一种 DNA 多态标记技术（Williams et al. 1990）。 RAPD 用任意序列的 10 个碱基的寡核苷酸片断作为引物，以未知序列的基因组 DNA 为模板，进行随机的 PCR 扩增，扩增产物经电泳、染色可得到 RAPD 指纹。 Williams et al.（1990）首次开展了 RAPD 分析。 RAPD 的完成需要单引物、基因组 DNA、耐热 DNA 聚合酶以及合适的缓冲系

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统。模板 DNA 在 92-94℃变性解链后，在低温（35-37℃）条件下，单引物按碱基 互补原则退火到基因组 DNA 模板两条反向链的不同位置上，在 68-72℃存在 DNA １ 聚合酶的条件下，dNTP 从引物的 3 端掺入，接上与模板 DNA 互补的各种单核苷 酸进行链的延伸，延伸至一定长度得到一个新的 DNA 片段。当引物与单链 DNA 的多个位点互补结合，并且引物的位置在彼此可扩增的距离内，就会产生一组不连 续的分子量为 200-20000bp 的 DNA 片段，经 40 次左右的 PCR 循环，每一扩增片 段的数量呈指数形式增长，扩增产物经电泳分离和溴化乙锭专一染色后直接进行紫 外观察，就可得到 RAPD 指纹（图 10-2）。

1

1

DNA 提取

PCR 扩增

变性 退火

1

2

2

3

3 2

3

图 10-2 RAPD 分析的原理及流程。包括 DNA 的提取、PCR 扩增、电泳分离和检测 3 个步 骤，1、2、3 分别表示 3 个不同的个体

从新鲜材料或变色硅胶保存的干标本中提取 DNA 制备模板是 RAPD 分析的第 一步。一般用 0.1×TE 将纯化后的 DNA 稀释到约 5ng/μl 作为 RAPD 分析所需模板。 然后，将筛选好的 10-20 个引物（能扩增出清晰的、可重复的带，每个引物可产生 5-15 个多态性位点）逐次与模板、dNTP 和 TaqDNA 聚合酶等混合，进行 PCR 扩 增。扩增产物一般用 1.5%的琼脂糖凝胶或聚丙烯酰胺凝胶电泳分离，待 DNA 分子

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量标准完全展开后结束电泳。对分离片段用溴化乙锭染色观察。 RAPD 的结果表现为样品在某个位点上条带的有无，而 RAPD 数据分析软件 （如，WINAMOVA、POPGENE、TFPGA）一般要求将条带的有无转化为 1/0 数据 进行计算。通常需要按各个计算程序给定的数据输入格式编辑 1/0 数据作为数据源 文件，例如，WINAMOVA 软件有专门的源文件编辑程序 AMOVPREP，然后将数 据源文件读入分析程序进行遗传多样性和遗传分化常规变量的计算。 RAPD 技术所需样品量少，能提供大量的遗传变异信息，并且无需预先知道基 因组的序列信息，所以，在植物种群生物学和进化生态学中被广泛使用。RAPD 扩 增只需要纳克量的 DNA 模板，不需进行氯化铯梯度离心或特殊的纯化过程，分离 一份进行 RAPD 扩增的 DNA 样品只需采集几百毫克新鲜叶片或几十毫克干叶片。 RAPD 分析的另一优势在于它是用任意序列的寡核苷酸为引物在全基因组上扫描， 无需知道基因组的序列信息，避免了繁琐的克隆操作与构建文库技术，而且 RAPD 扩增可选择的引物数高达 410，理论上可以提供无限的信息量。RAPD 片段的遗传 也是复合孟德尔定律的。但是，RAPD 提供的是一种显性标记，它不能区分纯合 （AA）与杂合（Aa）基因型，至少 95%的 RAPD 片段表现为显性标记，只有当两 个等位基因片段大小不同时（不到 5%）才表现为共显性（Williams et al. 1990, Fritsch & Rieseberg 1992, Williams et al. 1993），这正是 RAPD 标记的主要缺陷。除此而外， 由于 RAPD 标记的引物是 10 个碱基任意序列的寡核苷酸片段，在退火温度下引物 与模板的互补结合不很稳定，受模板浓度与纯度等诸多因子的影响，所以扩增带谱 的可重复性不高，不同实验室的 RAPD 数据几乎不可比较，难以交流。而且，RAPD 位点是指随机扩增出的 DNA 片段，本身并不具有任何功能意义。而任何一个基因 家族的进化都最大限度地受到功能的制约（Penner 1996），所以，用 RAPD 数据来 解释物种的进化有较大的局限性。 RAPD 标记由于其引物的随机性而能提供大量的遗传变异，自 20 世纪 90 年代 以来，已经广泛应用于动植物遗传育种、基因诊断、种群遗传学、生物系统与进化 等方面的研究中。RAPD 标记尤其适合于检测种下水平的遗传多样性，包括天然植 物种群的遗传结构分析（Ge et al. 1999）、种质资源评估以及植物品种的鉴定等（Hu & Quiros 1991）。RAPD 标记的另一个重要应用是构建高密度的遗传图谱，在基因 组的分析以及育种实践中具有重要的作用（Beaumont et al. 1996）。利用近等位基因 系（near isogenic lines, NILs）和混合分组分析方法（bulk segregant analysis, BSA）， 可以在 RAPD 标记和某些基因之间建立连锁关系，把某些基因定位到染色体上 （Haley et al. 1993, Benet et al. 1995, Urrea et al. 1996, Emebiri et al. 1997, Manninen et al. 1997, Yang et al. 1997），并以该 RAPD 标记为起点向靶基因滑步，为分离该基 因打下基础。

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四、扩增片段长度多态（AFLP） AFLP（amplified fragment length polymorphism, 扩增片段长度多态）是荷兰 Keygene 公司 Zabeau 和 Vos 于 1993 年发展的检测基因组限制性片段多态性的一种 DNA 指纹技术。基因组 DNA 经限制性内切酶（一般使用 EcoRI 和 MseI）完全消 化后，在限制性片段两端连接上人工接头作为扩增模板。设计的引物与接头和酶切 １ １ 位点互补，并在 3 端加上 2-3 个碱基，使得只有与引物 3 端互补的限制性片段才能 进行扩增。扩增产物经变性聚丙烯酰胺凝胶电泳分离后，通过放射自显影、银染或 荧光检测可显示出多态性丰富的 DNA 指纹式样。 接头和引物的设计是 AFLP 分析的一个至关重要的环节。AFLP 的接头应该包 含一个核心序列和一个内切酶专一序列。而 AFLP 的引物一般为 16-20 个碱基，包 １ １ 括 5 端与接头的核心序列互补、酶切位点序列和 3 端连上的选择性碱基（表 10-1） 。 表 10-1 AFLP 分析常用的接头结构和引物组成 EcoRI １

接头 5 - CTC GTAGACTGCGTACC CATCTGACGCATGGTTAA -5１ 引物

5１-GACTGCGTACCAATTCNNN-3１

MseI １

5 - GACG ATGAGTCCTGAG TACTCAGGACTCAT -5１ 5１- GATGAGTCCTGAGTAANNN -3１

AFLP 分析包括基因组 DNA 的提取、限制性内切酶消化、接头的连接、限制 性片段的预扩增和选择性扩增、扩增产物的分离与检测 5 个步骤。AFLP 分析的成 败取决于基因组 DNA 是否消化完全，所以需要分离到完整的、高质量的没有被核 酸酶或抑制剂污染的基因组 DNA，以产生连接要求的底物和预扩增所需的模板。 一般用 EcoRI 和 MseI 两种限制性内切酶对基因组 DNA 进行消化。消化片段用 T4 连接酶连接到 EcoRI 和 MseI 的接头上。酶切和连接可以分两步进行，也可以合为 一步进行（Qi & Lindhout 1997, Donaldson et al. 1998）。接好接头后，以连接好接头 的限制性片段为模板，用各具 1 个选择碱基的引物进行预扩增，通过预扩增及引物 标记，检测到的片段中 EcoRI - MseI 片段居多。预扩增产物稀释后作为选择性扩增 的模板，用各具 3 个选择碱基的引物进行选择性扩增。PCR 完成后，加入适当的染 料，在变性聚丙烯酰胺序列胶上进行分离。AFLP 指纹式样一般可以通过银染、荧 光检测或放射自显影进行检测（图 10-3）。荧光检测 AFLP 指纹是相对较好的方法。 １ 以荧光染料 5 端标记的引物进行选择性扩增，扩增产物可直接在自动测序仪（ABI 310, 377 等）上扫描鉴定。在 50-500bp 范围内，电泳胶的一个泳道可同时检测 4 种不同的荧光信号，即 3 个标有不同颜色的 AFLP 扩增产物和 1 个分子量内标。 AFLP 带谱显示为不同颜色、不同分子量、不同荧光强度扩增片段的 DNA 指纹图

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谱，用 Genescan 和 Genotyper 软件分别分析多态性和基因型。 AFLP 标记是对限制性酶切片段进行扩增，同时不需预先知道实验材料基因组 的序列信息，是一种半随机的 PCR 扩增，所以，AFLP 标记包容了 RFLP、RAPD 和 PCR 的优点，是一种高效的、稳定的、准确性高的 DNA 分子标记。AFLP 分析 可以选择不同的限制性内切酶、设计不同的人工接头、选择不同的选择碱基，因此 能产生无限的标记。在现有的分子标记中，AFLP 能检测出的多态性最高、提供的 信息量最大。同时 AFLP 又是当前作图效率最高的一种分子标记，适于构建高密度 的连锁图谱，是定位克隆目的基因的强有力工具。而且，采用荧光标记引物，DNA 测序仪进行电泳分离以及数据分析，使得 AFLP 的实验操作和数据分析全部自动 化、高效、灵敏而精确。但是，AFLP 标记与 RAPD 标记一样，显示的只是扩增片 段的有或无，是一种显性标记，不能区分二倍体生物的纯合子和杂合子。AFLP 实 验对模板纯度要求很高，若模板 DNA 不纯，则限制性内切酶消化不完全，可能会 在高分子量区域产生不真实的多态性带。且步骤繁多，操作上有一定的难度。 总的说来，AFLP 标记由于其引物设计的巧妙与搭配的灵活使其成为当前获得 多态性效率最高的 DNA 分子标记，而且它兼具 PCR 的高效性和酶切位点分析的可 靠性双重优点，所以，在构建遗传图谱、定位克隆基因、遗传多样性检测和保护生 物学等方面应用广泛。20 世纪 90 年代以来，AFLP 已经在农作物和经济作物的遗 传育种实践中得到广泛应用（Becker et al. 1995, Cnops et al. 1996, Kasuga et al. 1997）。此外，AFLP 在鉴定与评估种质资源（Hongtrakul et al. 1997）、检测遗传多 样性与遗传分化（Paul et al. 1997）、探讨系统发育关系（Sharma et al. 1996）等方 面也有广泛的应用前景。AFLP 的灵敏度足以能够检测出十分相近的基因型之间的 细微差异，尤其适合于评估种群内与种群间的遗传多样性水平和描述种下水平的遗 传关系（Breyne et al. 1997）。

五、简单序列重复（SSR） SSR（simple sequence repeat, 简单重复序列）是由 Edwards 等人（1991）命名 的，它是微卫星 DNA 命名的延续（Litt & Luty 1989, Edwards et al. 1991），一般是 以短的（1-6bp）重复单位（motif）组成的较低程度的串联重复，以在基因组的许 多位点上分散分布为特征。不同基因型之间的 SSR 位点上，核苷酸核心序列串联 重复次数的变化是植物遗传多样性研究的基础。在 PCR 基础上的 SSR 分析是根据 微卫星 DNA 两翼区域的序列设计位点专一的引物，以总基因组为模板进行 PCR 扩 增，扩增产物经变性聚丙烯酰胺凝胶分离，用放射自显影、银染或荧光进行检测。

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TTAA AATT

GAATTC CTTAAG

限制性消化 T AAT

AATTC G 连接 EcoRI 接头

连接 MseI 接头 TTACTCAGGACTCAT AATGAGTCCTGAGTAGCAG

CTCGTAGACTGCGTACCAATTC CATCTGACGCATGGTTAAG

各具 1 个选择碱基的 引物与模板结合 NAATGAGTCCTGAGTAG TTACTCAGGACTCAT

CTCGTAGACTGCGTACCAATTC

AATGAGTCCTGAGTAGCAG

CATCTGACGCATGGTTAAG GACTGCGTACCAATTCN

预扩增 各具 3 个选择碱基的 引物与模板结合 NNNAATGAGTCCTGAGTAG TTACTCAGGACTCAT

CTCGTAGACTGCGTACCAATTC

AATGAGTCCTGAGTAGCAG

CATCTGACGCATGGTTAAG GACTGCGTACCAATTCNNN

选择性 扩增

电泳分离、检测 图 10-3 AFLP 实验原理及流程示意图。AFLP 分析包括总 DNA 的限制性消化、接头 连接、预扩增、选择性扩增、电泳分离与检测几个过程（根据邹喻苹等 2001 修改）

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SSR 实验流程主要包括引物的设计、微卫星 DNA 的扩增、微卫星位点的电泳 分离与检测几个步骤。与其它几种分子标记相比，SSR 分析最困难的一步在于引物 的设计。因为 SSR 扩增的引物必须根据微卫星 DNA 两翼的序列信息进行设计，对 于许多物种都需要构建基因文库。当前 SSR 分析的引物来源主要有 3 个途径。从 公用的 DNA 序列数据库（GeneBank 和 EMBL）或已发表的相关文献中查找所研 究物种的微卫星 DNA 两翼序列或引物是最经济的一种方法。近来，有文章指出微 卫星位点可能在属内种间、甚至在科内属间都是保守的，所以可采用近缘种的引物 进行 SSR 分析（Kresovich et al. 1995, Westman & Kresovich 1998）。除此而外，还 可以构建所研究类群的基因组文库，筛选出一整套 SSR 位点，然后根据 SSR 位点 的两翼序列来设计引物。引物设计好之后，就可使用标准的 PCR 操作扩增微卫星 区域。多重 PCR（multiplex PCR）策略是指在一次 PCR 反应中同时加入几对引物， 使得一次反应可同时检测到几个微卫星位点（Morral & Estivill 1992），极大地提高 了实验效率。扩增片段的电泳分离和检测与 AFLP 分析类似。荧光检测非常适合检 测微卫星位点。DNA 测序仪中的 Genotyping 软件是基于荧光检测的自动化分析程 序，能在一个泳道同时分析几对引物产生的几个微卫星位点。 在 SSR 数据处理中，通常采用 PIC（polymorphism information content, 多态信 息含量或多态百分数）来表示信息含量。一般说来，任何类型的微卫星分析都会产 生等位基因频率和基因型频率的数据，可以采用标准的群体遗传模式进行遗传多样 性、遗传分化、交配系统参数估计和亲本分析等方面的分析。 SSR 标记是一种共显性标记，能区分杂合子和纯合子。SSR 广泛存在于真核细 胞的基因组，而且串联重复的数目高度可变并因而表现出高度的多态性，这样在一 个种群内就存在许多大小不同的等位基因，杂合水平相当高，提供的遗传变异信息 量大（Ashley & Dow 1994）。而且，微卫星序列很短，一般只有 20-40bp，很容易 扩增。SSR 标记同样遵循孟德尔遗传规律，可进行分离和连锁分析。在荧光检测基 础上发展的 Genotyper 分析软件与自动提取 DNA 以及 PCR 技术配套使用， 使得 SSR 标记变得简单、高效、完全自动化。但是，SSR 标记的一个最大麻烦就是必须预先 知道实验材料的基因组信息，至少必须知道重复序列两翼的序列信息，才能设计出 适宜的引物。这大大地限制了 SSR 标记在不同植物材料中的应用。 由于微卫星 DNA 能提供高度变化的、选择中性的共显性分子标记，所以 SSR 分析在分子生态、系统发育与进化、育种等方面都有非常广泛的应用，是使用范围 最广的一种 DNA 分子标记。应用 SSR 标记能测定雄性适合度、评估花粉和种子散 布的距离、进行亲本分析（Bowers et al. 1999），确定有效种群的大小、探讨物种形 成和地理变异、构建遗传谱系、进行基因定位、鉴定品种和种质资源等等。等位酶 标记能分析的问题 SSR 标记也能解决，而且 SSR 标记提供的遗传信息更多，多态 性更高。

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六、简单重复间序列（ISSR） ISSR（inter-simple sequence repeat, 简单重复间序列）是 Zietkiewicz 等创建的 一种检测简单重复序列之间 DNA 序列多态性的分子标记（Zietkiewicz et al. 1994） 。 １ ISSR 标记根据植物广泛存在 SSR 的特点，在植物基因组中常出现的 SSR 的 3 或 １ １ １ 5 端加锚 1-4 个碱基作为引物，保证引物与基因组 DNA 中 SSR 的 3 或 5 末端结合， 对两侧具有反向排列 SSR 的一段 DNA 序列进行 PCR 扩增，然后进行电泳、染色， 根据带谱的有无及相对位置分析不同样品 ISSR 标记的多态性。 ISSR 的实验流程与 RAPD 分析差不多，也包括 DNA 的提取、引物设计、PCR 扩增、电泳检测和分离几个步骤。ISSR 与 SSR 的差别主要体现在引物筛选上。基 １ １ 因组中 SSR 一般为 2-6bp 的寡聚核苷酸，用于 ISSR 分析的引物常为 3 或 5 端加锚 的二核苷酸、三核苷酸、四核苷酸重复序列，重复次数一般为 4-8 次，使引物的总 １ １ 长度达到 20bp 左右。3 或 5 端用于锚定的碱基数目一般为 1-4 个。由于植物基因组 中最多的 SSR 是(AT)n、(TA)n、(GA)n、(CT)n 等二核苷酸重复序列，所以，ISSR 分 析主要是以与上面序列互补的加锚二核苷酸重复序列为引物进行 PCR 扩增。扩增 片段用聚丙烯酰胺凝胶或琼脂糖凝胶电泳分离，以硝酸银或溴化乙锭染色检测 DNA 指纹。 ISSR 标记属于显性标记，与 RAPD 标记类似，不能区分杂合子和纯合子，这 限制了 ISSR 标记在植物的交配系统、杂合度分析等方面的应用。但是 ISSR 标记 由于引物较长，一般为 20bp 左右，退火温度较高，这在一定程度上增强了实验的 可重复性和可靠性。而且，ISSR 分析同样不需预先知道基因组的序列信息，大大 简化了设计引物的过程。又由于 SSR 在植物基因组中广泛分布，所以与 RFLP、 RAPD 相比，ISSR 可以提供更多的多态性信息。现已在遗传作图（Kojima et al. 1998）、基因定位（Ratnaparkhe et al. 1998）、遗传多样性、进化、系统发育（Wolfe 1998, Wolfe & Randle 2001）等方面广泛应用。总的说来，RAPD 标记能解决的问 题，ISSR 一般都能解决。

七、单核苷酸多态（SNPs） SNPs（single nucleotide polymorphisms, 单核苷酸多态）是指基因组内 DNA 中 某一特定核苷酸位置上由于单个碱基的转换（transition，以一种嘧啶置换另一种嘧 啶 C↔T 或一种嘌呤置换另一种嘌呤 A↔G）、颠换（transversion，嘌呤与嘧啶互换， C↔A，A↔T 等）、插入、缺失等变异而引起的 DNA 序列多态性。SNPs 是基因组 序列变异最普遍的一种类型，被认为是继限制性片段多态标记和微卫星标记之后的

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第三代基因遗传标记。人类基因组所有已知的多态性的 90％都是 SNPs（Collins et al. 1999）。 应用 DNA 测序和基因突变等技术已经获得了大量的 SNPs，并建立了公用的 数据库。随着 SNPs 分析技术的进一步发展，SNPs 正逐渐成为种群遗传学和进化 生态学中重要的遗传标记。目前，可以从现有 DNA 序列数据库中筛选 SNPs，或者 在 DNA 构象差异、酶切、PCR、杂交等基础上检验出 SNPs，也可以直接进行 DNA 测序或毛细管电泳检测 SNPs（Bjorheim et al. 2003） （图 10-4）。各种不同的方法利 用的生物学基础和技术手段都不尽相同，所以每一种检测方法都有各自的原理（参 见罗怀容等 2001）。在这 14 种检测分析方法中，突变错配扩增检验（Mismatch amplification mutation assay, MAMA）、SNaPshot（Turner et al. 2002）和等位基因特 异寡核苷酸片段分析（Allele-specific oligonucleotide, ASO）只能用来检测已知的 SNPs，其它 11 种检测方法既可以检测已知的 SNPs，也可以对未知的 SNPs 进行分 析。由于 PCR 技术在种群遗传学中应用得相当广泛，并且自动化测序技术也有了 飞速的发展，所以本章拟只对测序方法、SNaPshot 方法、以 PCR 为基础的突变错 配扩增检验方法进行较为详细的说明。 在已知 DNA 序列

Polybayes 计算法

数据库中筛选

SNP pipeline 温度梯度凝胶电泳

以 DNA 构象为基

变性梯度凝胶电泳

础的方法

单链构象多态性 变性高效液相色谱检测

SNPs 检测

基于酶切或 PCR

分析技术

的方法

限制性片段长度多态性 随机扩增多态性 突变错配扩增检验

直接进行 DNA 测

测序

序的方法

SNaPshot

以杂交为基础的

等位基因特异寡核苷酸片段分析

方法

基因芯片技术

毛细管电泳方法

毛细管电泳技术

图 10-4 SNPs 的几种检测分析方法。

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（一）测序 测序（sequencing）是确定 SNPs 突变类型和位置的根本方法，检测效率高达 100%。采用测序方法检测 SNPs 首先需要通过 PCR 扩增目的片段，然后回收扩增 产物，用 4 种荧光标记，最后在 DNA 测序仪上进行测序与分析。Bond 等对 152 个个体测序， 在 Mu 型鸦片类受体的基因编码区确定了 5 个不同的 SNPs 位点（Bond et al. 1998）。测序方法能直接检测出 SNPs，而且使用 DNA 自动测序仪，可以用荧 光标记代替手工测序的同位素标记，时间也大大缩短。但是该方法检测 SNPs 成本 较高，工作量相对较大，所以一般只对一些比较小的、外显子相对较少的基因采用 直接测序的方法确定 SNPs，而且样本量一般不宜太大。

（二）SNaPshot 运用 SNaPshot 方法检测 SNPs 必须事先知道待测 SNPs 的突变位置。其主要实 验流程与测序方法类似，首先需要通过预扩增从基因组 DNA 中获取目的片段，然 后回收扩增产物，加入延伸引物和荧光标记的 ddNTPs（双脱氧核苷三磷酸）进行 特异性扩增，通过测序仪电泳并用 GeneScan 软件分析结果（图 10-5）。与测序方法 不同之处在于：SNaPshot 方法特异性扩增过程用到的延伸引物的最后一个碱基必 须落在待测 SNP 位点的前一个位点，这样，在进行特异性扩增时，由于没有 dNTPs， 只有 ddNTPs，延伸反应只有突变位点的那个碱基得到扩增。大大地缩短了 PCR 反 应的时间，而且用 GeneScan 分析结果非常直观，在比所设计的引物多一个碱基的 位置出现扫描峰。突变型表现为某种颜色的一个峰，正常型表现为另一种颜色的一 个峰，而杂合型则表现为两种颜色的两个峰。Turner et al.（2002）运用多重 SNaPshot 的方法在一个反应管中同时检测了 6 个不同细胞因子和细胞因子受体基因的 9 个 SNPs（图 10-6） （Turner et al. 2002）。与测序相比，SNaPshot 方法更省时、更方便、 更经济。

（三）突变错配扩增检验 突变错配扩增检验是对已知的 SNPs 位点进行检测的一种方法。与一般 PCR １ 不同的是，突变错配扩增检验需要 2 个 3 末端碱基不同的引物，其中一个与正常 DNA 互补，而另一个与突变 DNA 互补。在同一样品中分别加入这两种引物，以及 聚合酶、dNTP 等进行两个平行的 PCR 反应。最后用琼脂糖凝胶电泳对扩增产物进 行分离检测。如果只有与正常 DNA 完全互补的引物扩增出 PCR 产物，则样品正常； 如果只有与突变 DNA 完全互补的引物扩增出 PCR 产物，则样品为纯合型突变；如

393

果两对引物都能扩增出 PCR 产物，则为杂合子。乙醛脱氢酶的突变型是在外显子 12 碱基 G 转换为 A，根据这个点突变，Luo 等运用突变错配扩增检验方法对中国 武汉 50 个汉族人进行了检验。针对正常型和突变型分别设计两个引物进行 PCR 扩 增，用 2%的琼脂糖凝胶分离检测，结果发现乙醛脱氢酶突变型的频率达到 12% （Luo 。但是，应该看到运用突变错配扩增检验，必须知道 SNPs 的突变类型 et al. 2001） 和位置。非模式物种的 SNPs 信息在公共数据库中还不多（Barnes 2002） ，尽管非 模式物种的核蛋白编码基因片断扩增的通用引物在逐渐增加（Primmer et al. 2002）， 但是一般都不可能为研究种群历史提供足够多的位点（Brumfield et al. 2003）。 预扩增

T A

等位基因 1

G C

等位基因 2 ddNTP (A, C, G, T) 变性模板，加入延伸

A

引物和 ddNTPs，进 行特异性扩增

C T 图 10-5

G

荧光标记的产物

SNaPshotTM GeneScan 的实验流程（Turner et al., 2002） 。

图 10-6 多重 SNaPshot 的一个研究实例。在一 个反应管中 检测了 6 个不同的细 胞因子和 细胞因子受 体基因 9 个 SNPs（Turner et al. 2002） 。

394

SNPs 通常只有两个等位基因，即在单核苷酸多态位点上存在两种不同的碱基。 这主要是由于 4 种碱基的突变几率不相等造成的。CpG 二核苷酸上的胞嘧啶残基 C 大多都是甲基化的，能自发地脱氨基形成胸腺嘧啶 T，有数据表明 C→T 转换是形 成 SNPs 的一种最普遍形式。而且 SNPs 的突变率相对较低，为 10-8-10-9，不可能在 一个位点上发生多次突变，所以大多数 SNPs 都只有两个等位基因（Brumfield et al. 2003）。SNPs 的这种二态性，使得在基因组中筛选 SNPs 只需进行＋/－分析，而不 用分析片段的长度，有利于发展自动化技术筛选或检测 SNPs（罗怀容等 2001）。 其次，SNPs 的突变率仅为 10-8-10-9，远远低于微卫星标记的突变率 10-4。而且在基 因组内广泛存在，据估计，非编码 DNA 区中，每 200 – 500 个碱基中就存在 1 个 ncSNP（non-coding SNP），而在编码区，大约每 500 – 1000 个碱基中存在 1 个 cSNP （coding SNP）。SNPs 的高度稳定性及其在基因组中的广泛性不仅使 SNPs 成为推 断种群历史动态的最好标记（Brumfield et al. 2003），而且也极大地方便了基因组间 的比较。但是，非模式物种的 SNPs 信息在公共数据库中还不多（Barnes 2002）， 对这些材料的研究需要研究人员自己去确定 SNPs。SNP 分析的最主要问题可能是 需要对 SNP 确定和检测的过程中产生的谱系偏向（ascertainment bias）进行校正。 最近关于 Drosophila 的研究证实了这一点，由于实验个体的地理位置不同估计出了 不同的遗传多样性水平（Schlotterer & Harr 2002）。 尽管 SNPs 是基因组序列变异的一种最普遍的类型，但只是近几年来 SNPs 才 开始成为一种重要的遗传标记，所以运用 SNPs 标记研究植物种群生物学和进化生 态学的工作还不多。由于 SNPs 广泛分布于整个基因组中，而且突变率很低，大大 降低了一个位点上的重复替代，在推断种群历史和物种形成等方面有着重要的作用 （Brumfield et al. 2003） 。SNPs 的变异水平比微卫星低，但是 SNPs 能提供更多的 突变的位点（Giordano et al. 1999），是构建 DNA 指纹图谱的理想标记。而且 SNPs 也能区分纯合子和杂合子，能很好地估计自交率、进行亲本分析（Prodohl et al. 1998）、检测地理结构、估计遗传多样性（Schlotterer & Harr 2002）、克隆鉴定等。 与以前所有的遗传标记不同的是，SNPs 是直接检测 DNA 链上的点突变，能直接反 应遗传上的改变，有助于解释个体的表型差异以及不同种群或个体对环境因子的反 应等。

第二节 分子标记与交配系统 交配系统是生物有机体通过有性繁殖将基因从一代传递到下一代的模式，包括 控制配子结合以形成合子的所有属性（Barrett & Eckert 1990），简单地说，就是指 谁与谁交配以及它们的交配方式与频率（见张大勇、姜新华 2001）。母本的自交率

395

和父本的繁殖成功率是植物交配系统研究中最重要的两个参数。植物的交配受传粉 者的行为（或风、水等非生物传粉媒介）以及影响传粉后生殖成功的一些过程的控 制。遗传标记使我们得以洞悉植物种群中出现的各种交配模式。

一、分子标记与自交率的测量 植物交配系统研究的一个重要方面就是度量自交和异交的相对频率，即自交率 （Schemske & Lande 1985, Barrett & Eckert 1990, Brown 1990）以及其它一些与之相 关的参数，如异型花柱物种的型间交配（Barrett et al. 1987, Kohn & Barrett 1992）、 近交衰退（Ritland 1984, Brown 1990）等。根据不同生长时期（种子、幼苗、成体） 后代的基因型可以估测自交率。尽管现在有些研究仍然根据一些特定的、具有遗传 基础的表型特征（如植物的缺绿表型）作为标记进行自交率的估测（Klekowski 1992, Chen & McDonald 1996） ，但自 20 世纪 70 年代初开始将分子标记用于植物交配分 析以来，已经对近 300 种植物种群的交配系统进行了研究。 要想准确地掌握植物交配系统的信息，最终需要对交配系统参数进行直接测 定。迄今为止，已经有许多遗传标记被用于交配系统参数的估计，如最先应用的形 态标记（Vasek 1964, Humphreys & Gale 1974, Motten & Antonovics 1992）和等位酶 标记（Ritland & Ganders 1985, Schemske & Lande 1985, Barrett & Eckert 1990, Brown 1990）。毫无疑问，等位酶标记作为一种能提供一定遗传多态性的共显性标记，已 经成为了植物交配系统参数估计的常规方法（Brown et al. 1989）。但由于等位酶标 记能检测出的多态性相对较低，在多样性较低的物种中的应用会受到一定的限制。 不过，尽管如此，等位酶标记仍然是植物交配系统分析中利用得最广泛的技术 （Cruzan 1998）。在 PCR 技术的推动下，各种 DNA 指纹分析技术的发展为植物交 配系统参数的估计提供了新的手段。RAPD、SSR、ISSR 等分子标记都可用来研究 植物的自交率。尽管 RAPD 和 ISSR 标记都是显性标记，只表达表型显性的带，不 能鉴别杂合子，用来分析自交率结果可能会有些偏差，但是，这两种标记都能提供 大量的遗传变异信息，每个位点提供的信息不足可以通过大量的位点来弥补。 Fritsch & Rieseberg（1992）采用 RAPD 标记对四数木科（Datiscaceae）自交可育 植物 Datisca glomerata 的自交率进行了估计。而 SSR 标记不仅能提供大量的遗传 变异信息，能检测出高水平的等位基因变异，而且还是一个共显性标记，它综合了 等位酶标记和 RAPD 等显性分子标记的优点，所以在植物交配系统参数估计方面， SSR 标记的应用可能更有前景。新近发展起来的 SNPs 标记实验相对简单，尽管比 SSR 的变异水平低，但是基因组中广泛存在 SNPs 可以弥补这一缺陷，今后可能将 成为植物交配系统分析的主要标记。 Goodwillie（2000）利用等位酶标记考察了 Linanthus 属两种一年生植物的异交

396

0.4

0.4

0.3

0.3

0.2

0.2

0.1

0.1

0.0

0.0 1

CR

2

MH

3

4

PC

LR

Linanthus bicolor

5

MH

6

WR

L. jepsonii

近交衰退（δ）

异交率（t）

率及其与近交衰退的关系。每个种群分析 30-32 个家系（family），每个家系分析 10 个子代。采用淀粉凝胶电泳对硫辛酰胺脱氢酶（diaphorase, DIA）、苹果酸脱氢 酶（ malate dehydrogenase, MDH ）、 6 －磷酸葡萄糖脱氢酶（ 6-phosphogluconate dehydrogenase, 6PGD）等 8 个酶系统进行了等位酶分析，利用其中 3 个多态位点 （DIA、MDH、6PGD）的等位基因频率数据，根据 MLT 计算出各个种群的异交率。 并就 L. bicolor 和 L. jepsonii 的自交率和近交衰退进行了比较，结果发现 L. bicolor 的异交率较低（即自交率较高），其近交衰退反而更低（图 10-7） 。很好地支持了近 交衰退随自交率的增加而降低这一理论预测（Goodwillie 2000）。

图 10-7 Linanthus bicolor 和 L. jepsonii 两种一年生植物的异交率 （白柱）和近交衰退（黑柱） 。其中， L. bicolor 在种群 MH 中没有等位酶 多态位点，故无法根据 MLT 计算 异 交 率 （ 数 据 引 自 Goodwillie, 2000） 。

二、分子标记与亲本分析 估计出了自交率，只解决了植物交配系统的一个方面，即“交配的频率”问题。 交配系统研究的另一个目标就是解决“谁与谁交配”的问题，换句话说，就是确定 每个后代的父本和母本，即亲本分析。亲本分析主要是通过观察或采用遗传标记构 建种群的谱系，判定种子（或幼苗）是由哪个成体自交或由哪两个成体异交产生的。 在有花植物中，母体和子代的关系相对比较清楚，所以植物的亲本分析实际上主要 就是父系分析（paternity analysis）。 植物的父系主要来自花粉的传播，通常由昆虫、鸟类、甚至蜥蜴等生物媒介或 风、水等非生物媒介来完成。所以，植物的父系分析基本上等同于花粉来源的鉴定。 等位酶标记由于其共显性曾经在植物的父系分析中发挥了积极的作用（ Avise 1994）。但是等位酶标记的多态性较低，大多数情况下，都不能很好的进行父系分 析。RAPD、ISSR 和 AFLP 作为显性标记，由于不能区别杂合子和纯合子，解决自

397

交率、父系分析、计算杂合度等问题效果不佳。但 SSR 标记是共显性标记，它具 有等位酶分析的全部功能，而且 SSR 指纹在真核生物基因组中广泛分布又处在基 因组的高变区，能检测出更多的遗传多态性，是植物父系分析的强有力工具（表 10-2）。 表 10-2 应用于植物交配系统和基因流研究的几种遗传标记的比较（据邹喻苹等 2001 修改） 自交率 父系分析 等位酶 ＋＋ ＋ RFLP ＋ ＋ RAPD ＋ ＋ AFLP ＋ ＋ ISSR ＋ ＋ SSR ＋＋ ＋＋ SNPs ＋＋ ＋＋ “＋＋”适合； “＋”勉强可用，但不太好；

传粉后过程 ＋ － － － － ＋＋ ＋＋ “－”不适合。

基因流 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋＋ ＋＋

克隆鉴定 ＋ ＋＋ ＋ ＋＋ ＋＋ ＋＋ ＋＋

图 10-8 当今法国 16 个 著名葡萄品种与其亲本 Pinot×Gouais blanc 在 VVMD5 （ 上 ） 和 VVMD28（下）两个位 点上的 SSR 指纹图谱。 P、G 分别代表亲本 Pinot 和 Gouais blanc， 数 字 1~15 分 别 代 表 Aligote 等 15 个葡萄品 种（引自 Bowers et al., 1999） 。

SSR 标记进行父系分析的主要问题可能在于某些微卫星位点上存在哑等位基 因（null alleles） （Jones & Ardren 2003） 。微卫星哑等位基因主要是由位点侧翼序列 的多态性造成的，因此某些等位基因缺乏有功能的 PCR 起始位点（Callen et al. 1993, Jones et al. 1998）。包含哑等位基因的杂合子往往被错误地检测为纯合子，从而引 起错误的亲本排除。例如，某一个子代的基因型实际为 A/n（n 表示哑等位基因）， 那么基因型为 B/n 和 C/n 的个体有可能是 A/n 的亲本；但由于哑等位基因不具有

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PCR 起始位点，不能被扩增检测，所以检测的结果分别为 A/A、B/B、C/C，从而 排除了 B/B 和 C/C 作为 A/A 亲本的可能性，得到错误的结果（Jones & Ardren 2003）。 总的说来，目前应用 DNA 指纹技术对植物进行父系分析的例子还不太多，但 SSR 和 SNPs 进行父系分析的潜力还是显而易见的。 Bowers et al.（1999）根据 32 个微卫星位点对 322 个葡萄品种谱系的研究可以 说是用 SSR 标记对植物进行父系分析的代表之作。欧洲著名的葡萄品种的起源问 题一直受到广泛的关注。有证据表明现存的葡萄品种都已有数百年的历史，而且一 般都是通过野生品种的栽培驯化、野生品种和栽培品种或者栽培品种之间的杂交等 方式产生的。Bowers et al.（1999）收集了 322 个葡萄品种，先用 17 个 SSR 位点对 任意可能的 3 个品种组合的等位基因进行了比较，确定哪两个品种杂交可能产生第 三个品种，然后用另外的 15 个 SSR 位点这些组合具体的谱系关系。结果发现，包 括 Aligote 在内的 16 个著名葡萄品种都是 Pinot×Gouais blanc 这一对亲本在不同时 间和不同地点多次杂交产生的后代（图 10-8）。

三、传粉后繁殖行为 传粉后的繁殖行为对植物的交配方式也有一定的影响。一般说来，异交花粉比 自交花粉更有优势（Weller & Ornduff 1977, Bowman 1987, Cruzan & Barrett 1993, Jones 1994），但很难分清异交花粉和自交花粉的这种差异是由花粉管生长速率不同 引起的，还是由二者导致不同程度的胚珠败育引起的。利用遗传标记技术和人工杂 交，我们可以对传粉后的繁殖行为进行更直接的观察。Rigney（1995）利用大花猪 牙花（Erythronium grandiflorum）设计了一个非常精巧的研究胚珠败育模式的实验。 Rigney 发现去除大花猪牙花的子房壁后，仍能观察到用标记过的花粉受精后胚珠的 生长。当胚珠表现出败育的迹象时，将其切除，利用等位酶标记进行检测，发现绝 大多数败育的胚珠都是经自交花粉受精的。换句话说，异交花粉比自交花粉更有优 势，是因为由自交花粉受精的胚珠更容易败育（Rigney 1995）。由于遗传标记研究 简单而实用，所以，它极有可能在传粉后繁殖行为的研究中发挥重要作用。等位酶 标记和 SSR 标记由于其共显表达在这一领域的作用尤为明显。但是，等位酶标记 分析的一个弊端在于胚胎发生早期表达的父本酶（paternal enzymes）比较少（Rigney 1995）。而 SSR 和 SNPs 标记能用相对较少的 DNA（如单个花粉粒或发育早期的胚 珠）进行 PCR 扩增，将会越来越适合对花粉管生长和受精后胚珠败育等传粉后繁 殖行为进行深入研究。

第三节 分子标记与基因流

399

基因流（gene flow）是基因在种群内和种群间的运动（Grant 1991）。在植物中， 基因流是借助于花粉、种子、孢子、营养体等遗传物质携带者的迁移或运动来实现 的，其中花粉和种子的扩散是两种最主要的形式（图 10-9）（Orive & Asmussen 2000）。单纯地靠种子传递遗传物质，其结果只能是遗传物质的空间位置发生改变； 而花粉对基因的扩散却受花粉运动、种子扩散和自交率的影响（Ennos 1994）。在 很大程度上，研究植物的基因流就是度量配子（主要是花粉）和种子在植物种群内 和种群间迁移的方式和机制（Avise 1994）。目前，无论是对花粉基因流强弱的直接 研究还是对种子扩散的研究都比较少（McCauley et al. 1996, Cruzan 1998）。

成体

萌发与生长

种子迁入（m） 2n+mtDNA+cpDNA

花粉迁入（M） 1n+cpDNA

传粉与受精

种子

S = 自交率 1－S = 异交率

图 10-9 一个世代内两种形式基因流的模式图。花粉和种子分别以 M 和 m 的迁移率迁入， mtDNA 和 cpDNA 分别代表母系遗传和父系遗传的细胞质标记（Orive & Asmussen, 2000） 。

基因流是植物种群动态和进化研究中的一个中心问题。植物种群的空间动态在 一定程度上是由种子的扩散决定的。而且，基因流研究在片段化种群的活力分析 （Ellstrand 1992, Ellstrand & Elam 1993）、转基因植物逸生后的风险分析（Ellstrand & Hoffman 1990）、入侵植物的控制（Hengeveld 1989, Williamson 1996）等方面也 有重要的作用。对基因流，尤其是长距离的基因流进行定量研究一直是植物种群生 物学研究中的一个难题。传统的测定基因流的方法仅限于直接观察传粉者和帮助种 子扩散的动物的活动、用化学染料或同位素进行标记跟踪花粉和种子的运动等。这 些传统的方法往往低估种群的基因流，尤其是花粉或种子的长距离扩散（Colas et al. 1997, Cain et al. 2000），而且灵敏度不高，无法测量低频率的基因流事件，也无法 计算有效基因流的大小（Streiff et al. 1999）。所以，有必要为定量研究基因流寻找 更好的方法。正是在这一背景下，Silvertown（1991）认为生态学方法和种群遗传 学方法（如采用等位酶标记或 DNA 分子标记等）相结合将极大地促进基因流的研 究。也就是说，如果我们很难通过对花粉或种子的运动进行直接跟踪来测量基因流，

400

那我们可以从问题的另一头，即通过研究花粉或种子扩散的种群遗传学后果（如种 群间遗传分化等）而不是扩散过程本身来研究基因流（Silvertown 1991）。

一、基因流的直接测量 自 20 世纪 80 年代以来，等位酶标记和父系分析相结合成为估计基因流十分有 效的手段（Avise 1994, 葛颂 1997）。之后，各种 DNA 分子标记的广泛应用，又极 大地促进了基因流研究的发展，尤其是来自不同基因组 DNA（如核 DNA 和叶绿体 DNA）标记的对比分析为基因流研究提供了强有力的工具（Avise 1994, McCauley et al. 1996）。例如，在绝大多数被子植物中，叶绿体 DNA（cpDNA）是母性遗传的， 所以研究 cpDNA 在种群中的动态就可以了解由种子散布所造成的基因流的强弱。 而核基因是双亲遗传的，既可以通过种子也可以通过花粉来扩散，通过比较叶绿体 基因和核基因所反映的种群遗传结构，就可以评价在总的基因流中花粉和种子扩散 的相对重要性。 在分子标记的基础上，采用亲本分析方法可以直接测量基因流（Ouborg et al. 1999, 陈小勇 1999）。基本方法是确定种群内的所有繁殖个体的基因型，并与有代 表性的幼苗样本的基因型进行比较，根据最大释然法（Meagher & Thompson 1987） 或遗传排除法（Devlin et al. 1988, Devlin & Ellstrand 1990）确定每一个后代的双亲。 子代与亲代之间的空间距离就是种群内实际的基因流水平。如果有等位基因在子代 中存在，而在亲代中不存在，则说明有外来种子在该种群定居。这种直接测量基因 流的方法面临的主要困难在于过去的许多分子标记（如等位酶标记）提供的遗传变 异信息不充分，不能区分外来配子和当地配子，从而低估了基因流。 SSR 标记的发展为这一问题的解决提供了技术支持（ Dow & Ashley 1996, Dawson et al. 1997）。以前的一些研究认为长距离扩散发生的可能性很低，栎树的 种子很难散布到母株树冠以外或距离母株 20m 以外（ Sork 1984, Geburek & Trippknowles 1994）。Dow & Ashley（1996）利用 4 个微卫星位点对壳斗科栎属植 物 Quercus macrocarpa 的 62 株成体和 100 株幼苗进行了分析，对上述观点提出了 质疑。Dow & Ashley 发现，在这 100 株幼苗中，71 株在种群内只有 1 个亲本，表 明通过花粉扩散造成的基因流更强一些。14 株幼苗在种群内找不到亲本，所以必 然存在通过种子扩散造成的基因流。Dow & Ashley 在亲本分析的基础上，还综合 考察了成体和幼苗的空间位置关系，发现落在母株树冠范围内的种子发育的幼苗与 远离母株的种子发育的幼苗一样多，38%的幼苗距离母株超过 30m，16%的幼苗甚 至距离母株 90m 以上。这些结果说明长距离的种子扩散和花粉扩散是比较普遍的。 AFLP 作为一种能提供大量的遗传变异信息的分子标记，在基因流研究中也有 人使用（Arens et al. 1998） ，但像 AFLP 这种显性标记，由于其不能进行排除分析，

401

所以在根据亲本分析方法直接测量基因流方面没有 SSR 这类的共显性标记更有效 （Ouborg et al. 1999）。SSR 和 SNPs 标记能提供丰富的遗传变异，检测出大量低频 率的等位基因，所以在亲本分析和直接测量基因流的研究十分有用。 直接测量植物基因流这一方法本身存在一定的问题。首先，对具有长寿命种子 库的物种来说，在种群内找不到亲本的幼苗有可能是从种子库中萌发出来的。而对 短寿命（如一年生）植物来说，亲本可能在幼苗出土之前就已经死去了。所以不管 是种子水平的基因流，还是花粉水平的基因流，往往都被高估了。所以，这一方法 最适合寿命较长、没有种子库的物种（Ouborg et al. 1999）。此外，该方法可能只适 用于相对较小的种群。

二、基因流的间接测量 除了直接测量之外，还可以通过种群间遗传分化系数来推导基因流。当等位基 因的空间分布量化后，利用种群遗传学模型去推测何等程度的基因流会导致类似的 分布。像这样间接测量基因流的相关理论和方法是植物种群遗传学中一个非常大的 领域，许多研究都涉及了其中的一个或几个方面（Wright 1978, Weir & Cockerham 1984, Slatkin 1985a, b, 1987, Slatkin & Barton 1989, Cockerham & Weir 1993, Slatkin 1993, Neigei 1997, Ouborg et al. 1999）。 间接测量基因流需要一个遗传标记系统（通常采用等位酶标记），确定种群间 遗传分化的格局。用 FST（ratios of gene diversities of heterozygosities, 杂合性基因多 样度的比率）来表征遗传分化，Ne 表示有效种群大小，m 表示迁移个体所占的百分 比，根据经典的种群遗传学方程（Wright 1978）： 1 （10-1） FST = 1 + 4N e m 当不存在选择作用，遗传漂变和基因流处于平衡状态时，种群间基因流 Nem 与种 群遗传分化系数 FST 成反比。但是，某些 DNA 分子标记，尤其是 SSR 和其它多位 点指纹标记的突变率都相对较高。通常，等位酶的突变率在 10-6 数量级，而 SSR 的突变率却在 10-3 数量级（Jarne & Lagoda 1996） 。因此，突变可能是影响 FST 值的 一个重要因素，所以，Hartl & Clark 将突变率μ引入了经典的种群遗传学模型（Hartl & Clark 1989）： 1 FST = （10-2） 1 + 4N e µ + 4N e m 基于多个位点的 GST（coefficient of gene differentiation, 基因分化系数）与 Nem 的关 系和 FST 与 Nem 的关系类似（Crow & Aoki 1984）。其它一些模型根据遗传距离（Nei 1972）、特有等位基因频率（Slatkin 1985b）、空间自相关方法（Epperson 1993）等

402

来讨论等位基因的空间分布与基因流的关系。间接测量基因流的方法可以检测到非 常低水平的基因流，种群间一粒种子或一个花粉粒的交流就会导致 GST 值达到 0.20 （Ouborg et al. 1999）。 在植物基因流的研究中， 利用等位酶标记计算 FST 值的研究较多（Hamrick 1987, Hamrick & Godt 1990），而利用 DNA 分子标记进行基因流研究的较少。这其中存 在的一个问题是利用等位酶标记和 DNA 分子标记可能会得到不同的基因流结果 （Raybould et al. 1996, Raybould et al. 1997）。当采用不同的分子标记间接测量基因 流时，可能需要采用不同的种群统计模型和不同的参数。对于 SSR 标记，用 RST 作为种群分化的参数可能比较合适（Slatkin 1995, Michalakis & Slatkin 1996）。而对 于 RFLP 标记，用 NST 统计量作为种群分化的参数可能更恰当一些（Lynch & Crease 1990），该参数将 DNA 多态性划分为种群内变异和种群间变异两个组分，事实上 是 FST 统计量在 DNA 水平上的类推。对甜菜的一个亚种 Beta vulgaris ssp. maritima 的研究表明，用 RST 度量 SSR 数据，用 FST 度量 RFLP 和等位酶数据，三者得到的 基因流的模式是类似的（Raybould et al. 1998）。 上面谈到的 RST、NST、FST3 个统计量分别是针对 SSR、RFLP 和等位酶标记的， 是建立在等位基因频率的基础上的，它们的共同点在于都是共显性标记。而 RAPD、 ISSR 和 AFLP 是显性标记，无法得到等位基因频率的数据，很难计算上面的 3 个 统计量。围绕这一问题曾经提出了几种解决办法。Lynch & Milligan（1994）利用 RAPD 数据对 FST 值进行了无偏估计，但他们同时也认为无偏估计仍然没有完全解 决这一问题。另外一条途径就是利用 AMOVA（analysis of molecular variance）软件 来计算（Excoffier et al. 1992）。AMOVA 将遗传变异分为种群内和种群间两个组分， 种群间变异如果显著，就可以用来表征基因流。这一方法最初是针对 RFLP 数据提 出来的，但是也能很好地适用于 RAPD、AFLP 数据（Wolff et al. 1997）。

表 10-3 利用 cpDNA 的 PCR-RFLP 和等位酶标记估计的 Silene alba10 个种群的 FST 值 遗传标记

FST 值

每个等位酶位点 磷酸葡萄糖变位酶，PGM

0.145

6－磷酸葡萄糖异构酶，GPI 苹果酸脱氢酶，MDH 6－磷酸葡萄糖脱氢酶，6-PGD 莽草酸脱氢酶，SKDH 异柠檬酸脱氢酶，IDH 亮氨酰胺基肽酶，LAP 所有等位酶位点 cpDNA

0.125 0.230 0.042 0.114 0.083 0.172 0.134（0.195-0.073） 0.674（0.941-0.407）

403

McCauley 用等位酶标记和 cpDNA 的 PCR-RFLP 对蝇子草属一种雌雄异株植物 Silene alba 的基因流进行了详细的研究（McCauley 1994, 1995, 1997）。根据双亲遗 传的核基因组和母系遗传的 cpDNA 反映出的基因流水平，分析了种子和花粉各自 在整个基因流中的相对贡献。McCauley（1994）共分析了 10 个种群、7 个等位酶 系统（表 10-3），根据经典种群遗传学模型计算出了各个位点的 FST 值和所有位点 的 FST 值（0.172）。而根据 cpDNA 的 PCR-RFLP 得出的 FST 值为 0.674（表 10-3）。 cpDNA 反映的基因流水平要比等位酶反映的基因流水平低得多。在此基础上， McCauley（1994）通过杂交实验证明 cpDNA 是母系遗传的，所以根据 cpDNA 得 出的 FST 值应该反映种子迁移对基因流的贡献，而根据核基因组编码的等位酶计算 出的 FST 值既反映了种子迁移对基因流的贡献，同时也反映了花粉运动对基因流的 贡献。也就是说，对 S. alba 而言，花粉运动对基因流的贡献要比种子大得多。 到目前为止对基因流的研究比较少，其中采用分子标记间接测量基因流的文章 比直接测量基因流的文章要多。大多数种群遗传学家，甚至包括部分热衷于分子标 记研究的工作者在内，都一直在倡导直接测量基因流的重要性（Slatkin 1985a） 。必 须要承认直接测量基因流的确很困难，而且其自身也有缺陷，我们不能从中获得任 何关于基因流在进化过程中的重要性的信息。但是直接测量基因流可以告诉我们基 因流格局的空间和时间异质性程度、环境因素（如，资源质量、生境斑块化）对基 因流格局的影响等信息。从另一方面讲，技术的进步无疑会方便我们的研究。采用 分子标记间接测量基因流使我们得以估计发生频率较低的长距离基因流事件发生 的频率和重要性。而且由于分子标记种类众多，对不同的物种总能找到合适的标记 进行基因流的研究，所以间接测量在整个基因流的研究中有着重要的作用。但是， 由于传统的种群遗传学模型的限制，导致对基因流估计的精确性较低，并且通常缺 乏生物学基础，所以大多数间接测量基因流很少能揭示遗传联合（genetic cohesion） 的程度和现存种群的进化潜能（Bossart & Prowell 1998）。因此，在基因流研究中， 我们要客观地评价各种方法的优缺点，进行更精确的统计分析，兼顾基因流的直接 测量和间接测量。

第四节 分子标记与克隆鉴定 个体是组成种群的基本单位，种群的特征、结构和动态都是由个体体现的。而 在克隆生长占优势的植物中，由于个体可以通过分枝、根出条等生长单位所体现， 如何确定遗传上的独立个体（即克隆鉴定，clonal identity）就成了研究克隆植物的 关键。只有真正了解了种群中的分株（ramet）是由多少个遗传上独立的基株（genet） 形成的，才能准确掌握种群的大小、结构和动态机制，进一步研究种群中的各种遗 传参数，如基因流、交配系统等（Parker et al. 1998）

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克隆植物主要通过匍匐茎、根状茎、根系、营养体的某一部分等进行克隆生长， 但是，克隆植物并没有完全放弃有性繁殖。事实上，许多克隆植物都能通过有性繁 殖产生种子，通过遗传重组产生与亲本基因型不同的子代（Cook 1983）。一方面， 克隆繁殖不必付出与有性繁殖相伴的代价，如营养后代由于母体的供养可以更安全 地度过脆弱的幼龄期。克隆植物以产生分株的方式拓展新的生境，有利于成功基因 型在种群中保存。另一方面，有性繁殖能够通过遗传重组产生具有新的基因型的个 体，通过种子的长距离扩散进入新的生境。克隆繁殖和有性繁殖的生态和进化意义 曾经有过广泛的讨论（Harada & Iwasa 1996, Harada et al. 1997）。二者发生的相对频 率对克隆系的大小和数量、克隆多样性有很重要的影响（Watkinson & Powell 1993） 。 Harada & Iwasa（1996）、Harada et al.（1997）根据克隆植物种群的空间遗传结 构讨论了克隆繁殖和有性繁殖的相对重要性。克隆分株和有性繁殖产生的种子在空 间扩散距离上通常都存在差异。克隆分株往往生长在母株周围，而种子的扩散范围 相对较大，应该在远离母本的地方出现。所以，通过克隆系的聚集程度我们就可以 推知克隆繁殖和有性繁殖发生的相对频率。另外，从遗传上看，克隆分株的基因型 与母株的基因型几乎完全相同，而由于有性繁殖过程中存在遗传重组，所以，种子 和母本、以及种子和种子之间在基因型上都可能有差异。如果能够找到足够的多态 位点，就能确定亲本和子代。总而言之，克隆鉴定不仅是研究克隆植物的基础和关 键，同时也能估计克隆繁殖和有性繁殖发生的相对频率。 早期的研究一般根据形态变异和其它的表型性状进行克隆鉴定，或者直接根据 分株之间的连接情况来确定克隆系（ Hartnett & Bazzaz 1985, Reinartz & Popp 1987）。但是由于可供利用的形态性状太少，而且对许多形态性状的遗传基础不了 解，加之鉴定效率太低，其应用受到很大限制（Avise 1994, Cruzan 1998）。不过， 近年来，随着分子生物学技术的发展，出现了等位酶、RAPD、AFLP、SSR、SNPs 等分子标记，这些标记能检测出大量的多态位点，能更有效地进行克隆鉴定。在所 有多态位点上都具有相同基因型的分株可以被认为属于同一克隆系。克隆鉴定的结 果一般都通过图谱的形式来表现，这种克隆图谱能清楚地表明各个基因型的分株在 种群中的位置（如图 10-10）。通过基因型的分布，我们可以发现同一克隆系的不同 分株往往都是彼此相连的。 近 20 几年来，利用分子标记进行克隆鉴定的研究越来越多（Castiglione et al. 1993, Prentice et al. 1995, Jonsson et al. 1996）。等位酶标记曾广泛地用来进行克隆鉴 定（如，葛颂等 1999），但在大多数类群中等位酶标记能检测出的遗传多样性都很 低，因而很难进行有效的个体鉴定（王可青等 1999）。RAPD、AFLP、SSR、SNPs 等灵敏度高的分子标记弥补了等位酶的这一缺陷。Castiglione et al.（1993）采用 RAPD 技术对 12 个杨属物种共 32 个克隆系进行了成功地鉴定。但是由于 RAPD 标 记可靠性低，所有利用 RAPD 标记进行克隆鉴定，只有采用较多的引物才能获得 有代表性的结果（Chalmers et al. 1992）。AFLP（Imazio et al. 2002） 、ISSR（Regner

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et al. 2000）、SSR（Kawchuk et al. 1996, Regner et al. 2000, Kimura et al. 2002）分子 标记在克隆鉴定方面的应用正在逐渐增加。SNPs 由于能提供较多的多态位点，可 能会成为克隆鉴定研究的一个重要标记。

图 10-10 穿 叶 细 钟 花 （Uvularia perfoliata）种群 的空间遗传格局。在每个 1 ㎡方格的 4 个顶点取样，根 据 7 个多态位点，确定出 123 个分株隶属于 20 个克 隆系，在图中用不同的符号 表示（Harada et al., 1997） 。

第五节 结语 各种分子标记技术的发展和应用，极大地促进了植物进化生态学的研究。在生 态学和进化生物学的某些领域，正是由于某些新发展的分子标记能对个体、种群、 遗传品系或近缘种进行鉴定，所以推动了这些领域的迅速进步。但是，由于各种分 子标记存在这样那样的区别，各有优缺点。所以，本文对各种分子标记进行了简单 的介绍，期望能对进化生物学家选择合适的分子标记解决特定的问题提供一定的帮 助。 等位酶标记是形态标记之后最先发展起来的一种蛋白质水平上的分子标记，由 于等位酶标记技术成熟、成本相对低廉，更重要的是其共显性，而且等位酶发展的 早期还没有其它的分子标记，所以大量的工作都采用了等位酶标记。事实上，等位 酶标记的确能提供一定程度的遗传变异，解决自交率、系统发育方面的问题。但等 位酶标记提供的多态信息相对较少不能很好地进行父系分析和亲缘关系的研究。 SSR 标记与等位酶标记一样是共显性标记，而且能提供比等位酶标记多得多的遗传 多态信息。运用 SSR 标记能解决等位酶标记所能解决的任何问题，而且在父系分 析和亲缘关系确定方面更有其独特的优势。但 SSR 标记需要预先知道基因组的序 列信息，对于大多数实验材料，通常都会涉及到构建基因文库的工作，实验比较繁 琐。RFLP 虽然也是一种共显性标记，能直接得到等位基因频率的信息，但能提供

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的遗传信息相当少，在遗传结构和交配系统的研究中一般都不采用。另外几种分子 标记，如 RADP、AFLP、ISSR，能很好地应用于遗传多样性、系统发育的研究。 但由于它们是显性标记，所以在交配系统、基因流、父系分析和杂合度分析等方面 尽管有时候也勉强能用，但终归是不大合适的。RAPD 标记设计引物相当简单，但 实验可重复性不高，而且受具体的实验条件的限制，实验结果无法进行通行比较。 ISSR 标记的引物设计也很简单，但与 RAPD 相比，由于它的引物相对较长，退火 温度较高，在一定程度上增加了实验的可重复性和可靠性。另外，将 ISSR 扩增片 段克隆到载体中，对其进行 DNA 测序，可以为 SSR 引物的设计奠定基础。AFLP 是对限制性酶切片段进行选择性扩增，兼具 RFLP、RAPD、PCR 的优点，是一种 高效、准确、可靠、能提供最大量的多态信息的分子标记。但 AFLP 分析对 DNA 模板纯度要求较高，且步骤繁多，操作起来有一定的难度。 等位酶标记和 SSR 标记是共显性标记，能直接获得等位基因频率的信息，适 合对植物的交配系统进行估计。但等位酶标记由于能检测出的多态信息比较少，进 行父系分析可能有一定的难度。SSR 可能是当前更适合植物交配系统分析的标记。 但应注意到 SSR 的多态性是可逆的（reversible）的，所以在分析亲本谱系（parental lineage）时还是有一定的局限性。而像 RAPD 这类的显性标记一般不用来进行植物 交配系统的分析。对于植物基因流的度量，在通过分子标记获得的数据基础上，采 用亲本分析的方法，可以直接测量基因流。但这种直接测量的方法因为涉及到亲本 分析所以同样需要等位基因频率的信息，通常只有等位酶标记和 SSR 标记能胜任。 除此而外，还可以借助于一些种群遗传模型，通过种群间遗传分化系数来间接测量 基因流。等位酶标记一般采用 FST 统计量来估计，而 DNA 分子标记由于突变率较 高，所以用 FST 统计量间接估计基因流时必须排除突变的影响。对于克隆鉴定而言， 只要能提供大量的多态信息的标记都可以应用。SNPs 作为继限制性片段多态标记、 SSR 标记之后的第三代遗传标记，尽管变异水平不如 SSR，但广泛存在于基因组内， 有足够多的多态位点，而且突变率低，在推断种群历史动态和物种形成等方面有其 特有的优势。加之 SNPs 操作相对简单，在每一个突变位点上都只有两个等位基因， 通常只需进行＋/－分析，易于进行自动化分析，所以，可以展望，SNPs 将成为植 物种群遗传学、系统地理学以及进化生态学中一种主要的分子标记。 尽管采用分子标记研究植物的交配系统和基因流、进行克隆鉴定还存在这样那 样的问题，但是技术的进步必然会使这方面的研究更为方便。只要我们在技术发展 的同时，客观地评价各种技术的利与弊，充分利用它们的优点，积极地发展与之相 适应的分析方法，使理论分析紧紧跟上技术发展的步伐，我们就会更充分地利用各 种分子标记，在植物的交配系统、基因流、克隆结构等方面进行更深入、更精确的 研究。

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第十一章 分子系统发育分析 钟扬、施苏华、任文伟

第一节 分子系统发育研究简介 自赫克尔（Haeckel 1866）最早用树状图来反映不同生物类群间的进化关系之 后，人们一直在努力探索构建“生命之树（tree of life）”的方法。然而，直到 Hennig （1950）提出“系统发育系统学（phylogenetic systematics）”的理论后，系统发育 研究才逐渐走上分支分析（cladistic analysis）之路——通过性状的同源性比较与 统计分析，建立所研究类群间的分支型式，从而重建其进化历史。 近二十年来，随着分子生物学技术和计算机技术的发展与普及，人们不仅可 以对各种生物开展诸如基因组测序方面的工作，快速获取大量的分子序列，而且 在处理复杂分子数据方面的能力也在不断提高。目前，分子系统发育分析方法已 逐渐成为系统与进化生物学研究中的常规手段，广泛应用于研究不同生物类群在 分子水平的进化式样、方向、速率以及各种分子机制对基因和基因组结构与功能 的影响（Li 1997, Nei & Kumar 2000）。与传统的以形态性状为主的系统发育研究 相比，分子系统发育分析的主要优势在于： 1） 由于所有生物的 DNA 序列均由四种碱基构成，因而可以通过比较序列差 异来重建亲缘关系较远的类群间的进化关系，而用形态性状比较方法则很 难分析这些类群。 2） 一般来说，基因和基因组序列中变异位点所包涵的信息在数量上比形态性 状的变异信息要大得多，这为定量分析提供了丰富的数据资源； 3） 对核苷酸和氨基酸进化演变规律的研究已取得长足的进步，多种数学与统 计模型已用于分子进化研究，而形态性状进化模型方面的研究还十分粗 浅。 值得一提的是，分子钟（molecular clock）假设是分子进化研究中的核心内容 之一。检验分子钟假设继而可以应用该假设或统计方法来估计不同类群间的分歧 时间（divergence time），这也为进化生物学研究提供了新的方法论工具。

一、系统树构建方法 417

应用统计模型和计算机程序构建系统树（phylogenetic tree）是分子系统发育 分析的一项基本任务。长期以来，人们已经提出了大量的系统树构建方法，其中 大部分是适用于形态数据和分子数据的通用方法，也有一部分是仅仅适用于分子 数据的特殊方法（Li 1997, Nei & Kumar 2000）。

（一）距离矩阵法（distance matrix method） 根据序列置换模型，计算分子序列间的分歧度（divergence）或进化距离；在 此基础上，应用聚类分析等方法构建系统树。 常用的 DNA 序列置换模型包括 Jukes-Cantor 单参数模型（假定核苷酸转换和 颠换间的置换率相等） （Jukes & Cantor 1969）和 Kimura 两参数模型（假定核苷酸 转换置换率为α，颠换置换率为β） （Kimura 1980）；聚类分析方法则包括类平均 法（UPGMA） （Sokal & Sneath 1963）和邻接法（neighbor-joining, NJ） （Saitou & Nei. 1987）等。

（二）简约法（parsimony method） 通过对信息位点（informative site）逐一进行比较，构建使所有类群的性状状 态变化总数最小的系统树——最简约树（most parsimonious tree，MPT） （Swofford et al. 1996） 。该方法称为最大简约法（maximum parsimony）。此外，还有专门用 于分子序列的进化简约法（evolutionary parsimony）等（Lake 1987）。

（三）最大似然法（maximum likelihood method） 用一个特定的核苷酸或氨基酸置换模型来分析序列数据，使所获得的拓扑结 构（树）的似然率均为最大，最终选择最大似然率达到最大的拓扑结构作为系统 树。通常所考虑的参数是每个拓扑结构中的树枝长度，即用最大似然法来估计枝 长（Felsentein 1981）。 近来，贝叶斯推断法（Bayesian inference）等统计工具也开始用于构建系统 树（Huelsenbeck et al. 2001）。此外，有人也曾用相容法（compatibility method） 和神经网络法（neural network method）等方法构树（钟扬等 1994）。Li（1997） 以及 Nei & Kumar（2000）从假设、计算时间、估计一致性以及计算和模拟等方 面对上述常用的系统树构建方法进行过详细比较。

418

二、性状进化分析 分子系统发育研究的根本任务是揭示生物类群的进化历史，性状分析则是将 系统发育分析应用于其它相关领域的重要桥梁。这一作用主要体现在以下两个方 面。

（一）性状标图（character mapping） 由于采用分子数据来构建系统树，因而可以将分子系统发育分析结果视为类 群进化历史的一种独立证据。如果将生态性状或其他形态性状标示在分子系统树 上，就可以较清晰地显示出性状的进化路径。例如，Armbruster & Baldwin（1998） 用核核糖体 ITS 区 序列和叶绿体 trnK 内含子序列联合构建了一个大戟科 （Euphorbiaceae）Dalechampia 属两个组（Dalechampia 组和 Tillifolia 组）的分子 系统树。在此基础上，标示了不同的传粉和形态性状（图 11-1）。结果表明，在 Dalechampia 属中，存在从特化的传粉者到通用的传粉者这一进化方向。其中， 所有马达加斯加的物种（位于系统树末端）均源自一个共同祖先，该祖先的传粉 者为采脂蜜蜂（resin-collecting bee）, 而新热带物种（位于系统树基部位置）的 传粉者为采香蜜蜂（fragrance-collecting bee）和其它食（花）粉昆虫。传统观点 认为，繁育性状的极端特化可能与其对新环境条件的适应潜力下降有关，而且很 难逆转。近来，这一观点受到了挑战（Futuyma & Moreno 1988, Smith & Jeffery 1998）。Armbruster & Baldwin（1998）借助分子系统发育分析手段揭示了被子植 物繁育系统的进化逆转，其结果与他们对 Dalechampia 属的形态学和生物地理学 研究结果也是一致的。

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图 11-1 大戟科 Dalechampia 属的分子系统树及传粉生态学进化(Armbruster & Baldwin, 1998)。系统树基于核核糖体 ITS 区序列和叶绿体 trnK 内含子序列, 构树方法为最大简约法 (MP)。

（二）祖先性状推断（ancester character inference） 应用系统发育分析方法，可以根据现有序列来推断祖先序列，从而了解进化 过程中性状的功能变化（Li 1997, Nei & Kumar 2000）。在实际研究中，当需要同 时考虑一组相关性状时，可以通过了解祖先性状的状态，弄清这些相关性状到底 是源于同一祖先（遗传学上的联系）还是趋同进化的结果（与环境的联系）。因此， 祖先性状推断不失为研究性状进化的一种新途径（Martins 2000）。 研究表明，祖先性状推断的有效性在很大程度上取决于系统发育分析方法。 一般来说，在序列分歧度较低，即类群间亲缘关系较近时，可以用最大简约法来

420

推断祖先性状。然而，当类群间的亲缘关系较远时，所推断的祖先性状就有多种 可能，而要确定最可能的性状就十分困难。在此情形下，可以尝试采用一些基于 最大似然法和距离法来推断祖先性状的新方法（Nei & Kumar 2000）。 同所有比较生物学方法一样，分子系统发育分析也必须充分考虑所比较性状 的进化意义，尤其是需要区分趋同进化（convergent evolution）和平行进化（parallel evolution）等复杂情况。表 11-1 大致列出了不同生物类群与性状异同之间可能的 关系（Barrett et al. 1997），对性状标图及其进化意义的讨论具有参考价值。 表 11-1 类群比较与性状比较 相关类群

相似性状

不相关类群

相似功能

不同功能

相似功能

不同功能

1） 平行进化

拓展新功能

表型趋同

相似性无意义

适应性趋异

功能趋同

无法确定（可能是

2） 系统发育上保守 不同性状

1） 备择表型 2） 非功能的性状差异

适应）

第二节 繁育系统与生活史性状的进化 植物繁育系统的结构与功能及生活史特征是进化生态学研究的主要方向。长 期以来，该领域的研究工作一直依赖比较形态学与实验相结合的方法。例如，花 部性状对分类学研究极为重要, 但通常在种间与种内呈现较大差异，花部形态比 较在一定程度上可反映繁育性状进化上的不稳定性。另一方面，比较形态学也为 遗传学和微进化研究提供重要的背景与线索。分子系统发育分析则为不同植物类 群的繁育系统与生活史进化研究提供了新的手段。例如，已有的繁育系统进化模 型虽然可以预测某些性状的相关性，但模型预测结果与进化序列不相吻合的情况 很多，而分子系统发育分析可能是解决这些矛盾的一种途经（Barrett et al. 1997）。 Barrett & Eckert（1990）曾用遗传标记估计了 129 种被子植物的自交率，然 后按其生长型（一年生草本、多年生草本或多年生木本）进行分类，结果发现多 年生木本植物比一年生和多年生草本植物存在更多的异花授粉现象。当然，他们 也发现研究所取样本也许并不具有统计学上的独立性, 如多年生木本植物中包括 了许多相关种（特别是松属和桉属植物）。因而，在 Chase et al.（1993）应用叶绿 体 rbcL 序列构建出一个庞大的种子植物系统树之后，Barrett 等人又对这一问题进 行了重新研究。他们不仅重新检查了 Barrett & Eckert（1990）中所用的数据集，

421

而且涉及更多的类群（43 科 217 种） ，希望 rbcL 系统树所反映的种子植物科间系 统发育关系也能为种间关联提供有用的信息（Barrett et al. 1997）。他们着重研究 了 5 个科（菊科 Asteraceae、豆科 Fabaceae、柳叶菜科 Onagraceae、松科 Pinaeeae、 禾本科 Poaceae）的自交率数据，并通过分子系统树所反映的种间关联式样来揭示 生 长 型 的 进 化 差 异 。 用 系 统 发 育 独 立 性 对 比 （ phylogenetically independent contrasts）（Purvis & Rambaut 1995）衡量生长型之间自交率的差异，然后进行统 计检验（如符号秩检验 signed-rank test）。然而，这一分析所获得的种子植物生长 型与自交率的对比结果与 Barrett & Eckert（1990）的结果不完全吻合。例如，与 早期研究一样，发现多年生木本植物的自交率显著低于草本植物（P