臧潤國, 董 鳴,李俊清,陳小勇,曾宋君,江明喜,李鎮(zhèn)清,黃繼紅

1 中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所,國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室, 北京 100091 2 杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院, 杭州 310036 3 北京林業(yè)大學林學院, 北京 100083 4 華東師范大學生態(tài)與環(huán)境科學學院, 天童森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站,上海 200062 5 中國科學院華南植物園, 廣東省應用植物學重點實驗室, 廣州 510650 6 中國科學院武漢植物園,中國科學院水生植物與流域生態(tài)重點實驗室, 武漢 430074 7 中國科學院植物研究所, 植被與環(huán)境變化國家重點實驗室,北京 100093

典型極小種群野生植物保護與恢復技術研究

臧潤國1,*, 董 鳴2,李俊清3,陳小勇4,曾宋君5,江明喜6,李鎮(zhèn)清7,黃繼紅1

1 中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所,國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室, 北京 100091 2 杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院, 杭州 310036 3 北京林業(yè)大學林學院, 北京 100083 4 華東師范大學生態(tài)與環(huán)境科學學院, 天童森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站,上海 200062 5 中國科學院華南植物園, 廣東省應用植物學重點實驗室, 廣州 510650 6 中國科學院武漢植物園,中國科學院水生植物與流域生態(tài)重點實驗室, 武漢 430074 7 中國科學院植物研究所, 植被與環(huán)境變化國家重點實驗室,北京 100093

極小種群野生植物是急需優(yōu)先搶救的國家重點保護瀕危植物。目前,有關極小種群野生植物瀕危原因及相應解瀕技術的研究還非常缺乏,已有的植物種群生態(tài)學和保護生物學理論對極小種群植物并不完全適用,迫切需要研發(fā)有針對性的科學理論和保育技術。介紹了國家重點研發(fā)計劃項目“典型極小種群野生植物保護與恢復技術研究(2016YFC0503100)”的研究意義、內(nèi)容、目標及展望。項目擬針對典型極小種群野生植物開展保護與恢復技術的研究,擬構建極小種群野生植物的種群生態(tài)學和保護生物學理論體系,研發(fā)極小種群野生植物保護和更新復壯的技術體系,并建立相應的應用技術標準和示范基地,為極小種群野生植物的保護與可持續(xù)利用奠定堅實的理論基礎和技術支撐。

極小種群野生植物；致瀕機制；就地保護；擴繁技術；遷地保護；回歸技術

物種滅絕是全球最嚴重的生態(tài)問題之一,直接威脅著人類社會的可持續(xù)發(fā)展[1]。種群大小是IUCN評估物種瀕危等級5個指標中最重要的指標[2]。極小種群野生植物物種屬于極度瀕危的植物物種,其現(xiàn)存?zhèn)€體數(shù)少于最小可存活種群大小,且常常分布地域狹窄,天然更新極差,面臨著極高的隨時滅絕的風險。國內(nèi)外專門針對極小種群野生植物保護與恢復的研究還沒有系統(tǒng)地開展過,但近年來國際上對此類研究的關注度逐漸增加[3],。有關極小種群植物的內(nèi)容主要體現(xiàn)在對珍稀瀕危植物的研究中。

珍稀瀕危植物的生存潛力、維持機制及受威脅的因素分析是保護生物學家關注的焦點之一[4]。已有的研究表明,物種維持機制的研究已從現(xiàn)象描述以及單一的種群生態(tài)學研究,發(fā)展成為多學科相互交叉和滲透的綜合性研究,取得了令人鼓舞的進展[5]；瀕危物種的主要受威脅因素包括環(huán)境變化[6]、生物相互作用[7]以及自身遺傳限制[8]等方面。近年來,在考慮進化與適應性的基礎上,預測瀕危物種的分布與生存潛力也備受關注[9]。盡管如此,迄今的大多數(shù)研究在物種瀕危的關鍵環(huán)節(jié)-小種群的成因和后果方面的分析仍然十分有限,尤其是針對植物物種。

在種質(zhì)資源保護方面,主要以種群遺傳學為基礎,研究種群進化過程及遺傳格局,揭示動態(tài)過程和關鍵影響因素,推斷物種致瀕機制并制定種質(zhì)資源保護策略等。當前已發(fā)展到應用微衛(wèi)星標記、SNP標記等,結合高通量測序方法評價遺傳變異[10],采用表型性狀與分子標記相結合的方法構建核心種質(zhì),并通過連續(xù)性或間斷性檢測數(shù)據(jù)評價其代表性。種質(zhì)保存技術體系包括原地、遷地和設施保存(低溫種質(zhì)庫、組培苗、體細胞胚胎和超低溫保存芽)等。

繁殖是植物種群生活史過程最關鍵的環(huán)節(jié),繁殖能力低下是大多數(shù)珍稀瀕危物種的共同特征,也是其瀕危的一個重要因素。繁殖瓶頸的突破是珍稀瀕危物種解瀕研究的重中之重,是發(fā)展規(guī)?；臄U繁技術體系的基礎。例如邱園利用無菌播種技術獲得了大量英國杓蘭的種苗并成功回歸[11]。我國雖已對40多種極小種群野生植物進行了繁殖生物學和繁殖技術的研究,但擴繁成功的物種仍屈指可數(shù)。

瀕危植物保護主要包括就地保護和遷地保護。就地保護是拯救生物多樣性的重要方式。就地保護的研究內(nèi)容主要包括：1)通過空缺分析和熱點地區(qū)分析確定就地保護地點；2)就地保護物種生境退化過程的研究；3)探索人工促進種群的快速恢復和生境修復的方法[12]；4)評價就地保護的效果[13-14]。遷地保護是收集和保存珍稀瀕危植物種質(zhì)資源的重要方式[15]。植物園是遷地保護珍稀瀕危植物最常規(guī)和有效的場所[16]。潛在生境適宜性評價、適宜遷地生境構建、遷地種群建立與適應性評價是遷地保護成功的關鍵[17]。同時,加強遷地種群的遺傳管理,規(guī)避潛在的遺傳風險,保持物種的遺傳完整性亦是遷地保護成功的關鍵因素之一[18]。

瀕危植物野外回歸的研究主要集中在回歸程序、過程管理、評價及復壯等。IUCN 的物種生存委員會SSC制定了回歸與保育引種的指南[19]。研究表明,影響回歸成功的因子包括繁殖材料類型、種源、生境和種植時間[20, 21]及種間作用[22]等。通過分析源種群的遺傳及生境相似性選擇回歸地點[23]。在回歸中還需要考慮伴生植物、雌雄比例、基因交流和生態(tài)適應性等[24]。國內(nèi)外有關回歸的技術還不很成熟,仍處于探索階段,急需通過同質(zhì)園實驗(common garden)和交互移植-重植實驗(reciprocal transplant experiments)等方法,優(yōu)選回歸方案,實現(xiàn)有效的野外回歸。

極小種群野生植物是急需優(yōu)先搶救的國家重點保護瀕危植物,面臨著極高的隨時滅絕的風險。為確保這些脆弱種群及攜帶的獨特基因資源得以續(xù)存,國家啟動了“全國極小種群野生植物拯救保護工程”。目前,有關極小種群野生植物瀕危原因及相應解瀕技術的研究還非常缺乏,不能滿足工程有效實施的科技需求。已有的植物種群生態(tài)學和保護生物學理論對極小種群植物并不完全適用,迫切需要研發(fā)有針對性的科學理論。從極小種群野生植物的種群維持機制和更新復壯技術等方面開展研發(fā),將為極小種群野生植物的保護和恢復提供系統(tǒng)的科技支撐。

1 項目研究內(nèi)容

本項目參照《國家重點保護野生植物名錄》、《全國極小種群野生植物拯救保護工程規(guī)劃(2011—2015年)》和《中國珍稀瀕危植物圖鑒》,擬在我國主要自然保護區(qū)(或林區(qū))內(nèi),選擇14種典型極小種群野生植物(華南：坡壘(HopeahainanensisMerr. et Chun)、仙湖蘇鐵(CycasfairylakeaD. Yue Wang)、海倫兜蘭(PaphiopedilumhelenaeAvery.)、瑤山苣苔(DayaoshaniacotinifoliaW. T. Wang)；華東：天目鐵木(OstryarehderianaChun)；華中：野生水杉(MetasequoiaglyptostroboidesHu et Cheng)、黃梅秤錘樹(SinojackiahuangmeiensisJ. W. Ge et X. H. Yao)；華北：河北梨(PyrushopeiensisT. T. Yu)；東北：東北紅豆杉(TaxuscuspidataSiebold et Zucc.)；西北：鹽樺(BetulahalophilaChing ex P. C. Li)；西南：華蓋木(ManglietiastrumsinicumLaw)、崖柏(ThujasutchuenensisFranch.)、梓葉槭(AcercatalpifoliumRehder)；青藏區(qū)：密葉紅豆杉(TaxusfaunaNan Li et R. R. Mill.))為對象開展研究工作,具體技術路線如圖1所示。

1.1 研究內(nèi)容

(1)極小種群野生植物生存潛力與維持機制研究：針對我國極小種群野生植物目前面臨的生存狀況,開展物種生態(tài)學、群落結構、生境調(diào)查和監(jiān)測,觀測其種群動態(tài)過程,建立極小種群野生植物的信息管理系統(tǒng),綜合評估極小種群野生植物生存狀況,初步構架我國主要典型極小種群野生植物的分布圖與生存現(xiàn)狀清單。分析物種生活史和所處生態(tài)系統(tǒng)受損情況,分析極小種群野生植物關鍵致瀕因素,分析瀕危原因,揭示其生存潛力。通過野外調(diào)查、生態(tài)學控制實驗,比較極小種群野生植物的種群特征差異對于生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的影響,分析其在關鍵生態(tài)系統(tǒng)中的作用。系統(tǒng)測算極小種群植物的種群參數(shù),分析種群的結構動態(tài)、種間關系及其對環(huán)境變化的響應,揭示種群長期生存潛力及其關鍵影響因素,闡明極小種群野生植物種群維持機制。

(2)極小種群野生植物種質(zhì)資源保護技術研究與示范：利用分子遺傳標記分析極小種群植物遺傳結構,構建單倍型系統(tǒng)進化關系,反演種群歷史動態(tài),結合孢粉/化石信息和重大地質(zhì)歷史事件以及人類活動干擾史,推斷極小種群瀕危的驅(qū)動因素。結合種群歷史動態(tài)分析極小種群野生植物在生態(tài)系統(tǒng)演變過程中的作用。研究種群遺傳變異格局和表型性狀,建立種質(zhì)資源評估方法和技術,確定核心種質(zhì)資源,建立極小種群種源保護地遺傳多樣性保護和監(jiān)測技術體系標準。研發(fā)典型極小種群植物種質(zhì)資源保護與保存技術,開展極小種群植物種質(zhì)資源保存,建立種質(zhì)資源收集圃和示范種質(zhì)園。

(3)極小種群野生植物就地保護及生境恢復技術研究與示范：分析自然種群特征、生境特征和種源狀況,揭示目標物種的生境需求與生態(tài)關系,研究就地保護和人工促進種群恢復技術。研發(fā)人工改造和干預適用技術,快速改善已受損的生境條件,構建符合目標物種特性的適宜生境。研究極小種群野生植物近自然保護技術,構建充分滿足物種生存繁衍的最佳生境；建立極小種群野生植物持續(xù)生存的就地保護示范區(qū)。

(4) 極小種群野生植物擴繁技術研究與示范：根據(jù)目標植物種群大小、生物學特性、小生境狀況及自然分布等,利用種子萌發(fā)、扦插、嫁接、無菌播種和組織培養(yǎng)等多種技術手段,研究極小種群野生植物的快速繁育技術,分析快速繁育過程中的限制性因子,制定目標物種種苗的擴繁技術規(guī)程,為極小種群野生植物的種群復壯和擴繁利用提供關鍵技術體系。建立種苗繁殖示范基地進行種苗擴繁,提供足夠的種苗應用于近地保護、遷地保護和自然回歸。

圖1 技術路線圖Fig.1 Technical procedure of the research project

(5)極小種群野生植物遷地保護技術研究與示范：根據(jù)目標植物特點和所處生境條件,分析極小種群野生植物潛在分布區(qū),進行遷地保護生境選擇研究；評價擬遷地生境的適宜性,確定遷地保護地點,研發(fā)遷地保護的小生境調(diào)控技術。開展調(diào)控適宜遷地保護和近自然保護目標物種生長發(fā)育的小生境研究和試驗示范,如培植伴生樹種、調(diào)節(jié)水分供應、光照強度、原生地客土或者測土施肥等,構建遷地保護的整體方案、配套技術與撫育管理體系,建立遷地保護試驗示范。

(6)極小種群野生植物回歸技術研究與示范：對培植技術成熟、適生條件明確、遷地保護成功、譜系清晰、遺傳多樣性豐富及可以大量繁殖的極小種群野生植物,開展極小種群野生植物回歸關鍵技術研究,具體包括對人工培育的植株的選擇,適宜地點及生境的評價和確定,回歸環(huán)境、回歸時期、栽培技術、撫育體系和后期管理配套技術體系研究,并進行試驗示范基地建設。對于不同種源和不同繁殖方式產(chǎn)生的繁殖體,進行系統(tǒng)的適生條件和栽培管理技術研究,并進行標準化體系建設和示范基地建設。

2 總體目標

本項目主要針對極小種群野生植物種群衰退與更新限制機理等重大科學問題,以及核心種質(zhì)確定與保存和種群擴繁與復壯技術等關鍵技術問題開展相應的研究與示范,力圖在極小種群的瀕危過程、脅迫因子與維持機制等方面取得理論上的創(chuàng)新,并在遺傳多樣性與種質(zhì)資源保存、規(guī)模化擴繁、就地遷地與回歸保護等環(huán)節(jié)中存在的技術瓶頸上產(chǎn)生突破,構建極小種群野生植物的種群生態(tài)學和保護生物學理論體系,研發(fā)極小種群野生植物保護和更新復壯的技術體系,在此基礎上,建立相應的應用技術標準和示范基地,形成從基礎理論、共性技術到試驗示范全鏈條式的極小種群野生植物保護工程科技支撐體系,最終為極小種群野生植物的保護與可持續(xù)利用奠定堅實的理論基礎和技術支撐。

3 結語

極小種群野生植物的保護與種群復壯,其重要性、緊迫性和必要性是不言而喻的。如何科學高效地實施全國極小種群野生植物拯救保護工程,是擺在我國生物多樣性研究與保護工作者面前迫切需要解決的重大問題。極小種群野生植物由于其種群數(shù)量小、面臨脅迫大及繁殖困難等固有特點也決定了對其研究與開發(fā)的困難性和挑戰(zhàn)性。一般植物種群理論大都基于大樣本方法而發(fā)展起來,對極小種群植物并不完全適用,為此,所有研發(fā)方案都必須考慮極小種群植物的諸多特點,特別是要重點研發(fā)基于小樣本的方法和理論體系。同時要針對植物生活史各階段與野生植物拯救保護工程各環(huán)節(jié)的技術需求研發(fā)相應的技術并進行集成示范,才能真正構建極小種群野生植物全鏈條式的精準保育技術集成與示范體系,從而為全國野生動植物保護與自然保護區(qū)建設等生態(tài)建設工程提供強有力的科技支撐。

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Conservation and restoration for typical critically endangered wild plants with extremely small population

ZANG Runguo1,*, DONG Ming2, LI Junqing3, CHEN Xiaoyong4, ZENG Songjun5, JIANG Mingxi6, LI Zhenqing7, HUANG Jihong1

1KeyLaboratoryofForestEcologyandEnvironment,theStateForestryAdministration,InstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China2CollegeofLifeandEnvironmentSciences,HangzhouNormalUniversity,Hangzhou310036,China3CollegeofForestry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China4SchoolofEcologicalandEnvironmentalSciences,TiantongNationalFieldStationofForestEcosystems,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China5GuangdongProvincialKeyLaboratoryofAppliedBotany,SouthChinaBotanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510650,China6KeyLaboratoryofAquaticBotanyandWatershedEcology,ChineseAcademyofSciences,WuhanBotanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430074,China7StateKeyLaboratoryofVegetationandEnvironmentalChange,InstituteofBotany,ChineseAcademyofSciences,Beijing100093,China

Critically endangered wild plants with extremely small population (CEWPESP) are the plants in urgent need of rescue. At present, little knowledge exists on the endangering mechanism and corresponding conservation technologies for CEWPESP. The existing theories of plant population ecology and conservation biology can not be applied to CEWPESP directly. It is imperative to develop targeted theory and practical technology for conservation and restoration of CEWPESP. In this paper, we introduce the significance, contents, targets and prospects of the national key research and development project “conservation and restoration for typical critically endangered wild plants with extremely small population (2016YFC0503100)”. The project focuses on studies of conservation and restoration for CEWPESP. Aims of the project are to build a theoretical system of population ecology and conservation biology, and a technological system for the conservation and restoration of CEWPESP, and on basis of that, to establish the corresponding technical standards and demonstration bases. This project will provide a solid theoretical foundation and technical support for the conservation and sustainable utilization of CEWPESP.

critically endangered wild plants with extremely small population; endangering mechanism;insituconservation; propagation technology; ex situ conservation; reintroduction technology

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0503100)

2016- 10- 08

10.5846/stxb201610082011

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zangrung@caf.ac.cn

臧潤國, 董鳴,李俊清,陳小勇,曾宋君,江明喜,李鎮(zhèn)清,黃繼紅.典型極小種群野生植物保護與恢復技術研究.生態(tài)學報,2016,36(22):7130- 7135.

Zang R G, Dong M, Li J Q, Chen X Y, Zeng S J, Jiang M X, Li Z Q, Huang J H.Conservation and restoration for typical critically endangered wild plants with extremely small population.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7130- 7135.