丁兆紅, 盧君婷, 盧劍波,2

(1.杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036；2.杭州師范大學(xué)錢(qián)江學(xué)院，浙江 杭州 310036)

?

景觀破碎化對(duì)植物種群的遺傳學(xué)效應(yīng)及其研究方法進(jìn)展

丁兆紅1, 盧君婷1, 盧劍波1,2

(1.杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036；2.杭州師范大學(xué)錢(qián)江學(xué)院，浙江 杭州 310036)

景觀破碎化在減小物種生境大小的同時(shí)增加了生境的空間隔離度，直接或間接影響種群遺傳多樣性和空間遺傳結(jié)構(gòu)．要明確景觀特征的改變對(duì)種群生存能力的影響，不僅需要收集大量的實(shí)例研究來(lái)描述一般的發(fā)展規(guī)律，更要形成標(biāo)準(zhǔn)化的研究試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)生境和物種的變化在時(shí)間和空間尺度上進(jìn)行量化，從而制定更為科學(xué)合理的應(yīng)對(duì)措施．文章首先綜述了景觀破碎化對(duì)植物種群遺傳學(xué)效應(yīng)的影響，然后分別從分子標(biāo)記、統(tǒng)計(jì)分析方法和取樣策略三方面介紹了該領(lǐng)域研究方法的進(jìn)展，最后指出今后此方面的研究亟需加強(qiáng)多學(xué)科間的交流，以期發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造新的研究領(lǐng)域和方法.

景觀破碎化；植物種群；遺傳多樣性；空間遺傳結(jié)構(gòu)；研究方法

景觀破碎化(landscape fragmentation)相關(guān)研究一直是景觀生態(tài)學(xué)和保護(hù)生物學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1-2].國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)于景觀破碎化的概念有著不同的表述，總體是指由于自然或人為因素干擾所導(dǎo)致的景觀由簡(jiǎn)單趨向于復(fù)雜的過(guò)程，即景觀由單一、均質(zhì)和連續(xù)的整體趨向于復(fù)雜、異質(zhì)和不連續(xù)的斑塊鑲嵌體[3].景觀破碎化對(duì)陸地景觀生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)的影響主要是以下三個(gè)方面：1)增加斑塊間隔離程度；2)加大斑塊數(shù)量及斑塊的邊緣效應(yīng)；3)降低平均斑塊面積[4].造成的后果則是破碎化生境中的物種將會(huì)受到更為明顯的生存威脅[5].

景觀遺傳學(xué)(landscape genetics)作為景觀生態(tài)學(xué)和種群遺傳學(xué)的交叉學(xué)科，研究景觀特征與微進(jìn)化過(guò)程(如基因流、遺傳漂變與選擇等)之間的相互作用，在個(gè)體和種群水平探討地理空間和環(huán)境特征影響遺傳變異的規(guī)律與機(jī)理[6].近年來(lái)，隨著景觀遺傳學(xué)理論與技術(shù)的不斷發(fā)展，景觀破碎化對(duì)植物種群遺傳效應(yīng)的研究也引起了許多科學(xué)家的關(guān)注[7].本文結(jié)合理論與實(shí)例研究，從遺傳變異和種群空間遺傳結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面綜述了景觀破碎化對(duì)植物種群遺傳效應(yīng)的影響及其研究方法的進(jìn)展.景觀破碎化對(duì)種群遺傳分化影響的機(jī)制見(jiàn)圖1.

1　景觀破碎化對(duì)植物種群遺傳多樣性的影響

圖1　景觀破碎化對(duì)植物種群遺傳效應(yīng)影響的簡(jiǎn)易模型Fig. 1　A simple model for the effects of habitat fragmentation on genetic effects of plant populations

遺傳多樣性(genetic diversity, GD)作為生物多樣性的核心和基礎(chǔ)，組成了生物進(jìn)化的本質(zhì)，代表了物種適應(yīng)環(huán)境變異的能力[8-9].任何一個(gè)物種都具有其獨(dú)特的基因庫(kù)和遺傳結(jié)構(gòu)，同時(shí)在不同的個(gè)體間往往又存在著豐富的遺傳變異，這些變異構(gòu)成了生物的遺傳多樣性[10].遺傳多樣性作為評(píng)價(jià)物種進(jìn)化過(guò)程的綜合指標(biāo)，其最直接的表達(dá)形式就是遺傳變異的高低及遺傳變異的分布格局，即種群的空間遺傳結(jié)構(gòu)[11].

1.1景觀破碎化對(duì)植物種群遺傳變異的影響

景觀破碎化過(guò)程造成植物種群生存面積的縮小，導(dǎo)致一個(gè)完整的種群變?yōu)閹讉€(gè)大小不同的殘存種群，形成復(fù)合種群(metapopulation)[12].由于每一個(gè)單獨(dú)殘存種群只保留原始種群的一部分基因，從而造成了等位基因多樣性(allelic diversity)的直接丟失[13].相關(guān)學(xué)者利用微衛(wèi)星分子標(biāo)記研究中國(guó)北方的松口蘑(Tricholomamatsutake)遺傳多樣性，主成分分析發(fā)現(xiàn)4個(gè)不同種群中分別隸屬于3個(gè)基因簇，表明4個(gè)種群中由于生境破碎化導(dǎo)致各個(gè)種群之間容易因地理隔離形成遺傳隔離[14].在具有世代間隔離且面積較小的種群中會(huì)遭遇更為明顯的遺傳漂變(genetic drift)，從而導(dǎo)致位點(diǎn)多樣性的降低和種群間遺傳分化(genetic differentiation)的增加[15]. Ye等對(duì)Psilopeganumsinense6個(gè)不同面積大小種群的遺傳分化狀況進(jìn)行分析，由于三峽大壩的修建導(dǎo)致其生存面積進(jìn)一步減少使得原本種群數(shù)量較少的該物種在小種群中表現(xiàn)出較強(qiáng)的遺傳分化[16].同時(shí)在水生克隆植物Menyanthestrifoliata和墨西哥東部地區(qū)的Cyclopogonluteoalbu均驗(yàn)證了有效生存面積大小對(duì)于其種群遺傳多樣性方面存在負(fù)面影響[17-18].一般情況下，種群生物個(gè)體越小，遺傳漂變的影響越大，而且在對(duì)物種適應(yīng)特殊環(huán)境改變有很大作用的稀有等位基因中變現(xiàn)尤為突出[19].同時(shí)，由于遺傳漂變對(duì)中性和選擇性基因的作用效果是一樣的，因此，有害基因可能會(huì)被隨機(jī)固定下來(lái)，最終危害植物個(gè)體和種群的長(zhǎng)期健康生存[20].

1.2景觀破碎化對(duì)植物種群遺傳結(jié)構(gòu)的影響

種群遺傳結(jié)構(gòu)(population genetic structure)指遺傳多樣性在種群內(nèi)和種群間的分布，可以綜合反映種群大小、組成、繁育系統(tǒng)、隔離程度和遷移格局的時(shí)空動(dòng)態(tài)[21].景觀破碎化狀態(tài)下的種群，植株間空間距離增加，由花粉或種子介導(dǎo)的基因流會(huì)受到相應(yīng)的限制，從而使種群遺傳分化程度加重，使種群處于近親繁殖的危害中[22].而近交衰退的嚴(yán)重性似乎在異交種群中更大，因?yàn)橛泻﹄[性等位基因的影響可以被個(gè)體間高的雜合性掩蓋.也有假說(shuō)認(rèn)為，如果小的殘余種群能夠持續(xù)存在，那么隨著時(shí)間推移，有害突變可能因選擇作用而累積，近交衰退的影響也可以得到緩沖性減小[23].

然而從目前的實(shí)例證據(jù)來(lái)看，景觀破碎化對(duì)植物種群的遺傳效應(yīng)還不明確，有研究報(bào)道說(shuō)景觀破碎化會(huì)降低種群的遺傳變異，增加斑塊種群間的遺傳分化[24]，但也有相關(guān)研究指出其并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種遺傳效應(yīng)[13].Psaroudaki 等在希臘的克里特島區(qū)域內(nèi)利用隨機(jī)擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性(random amplified polymorphism DNA, RAPD)技術(shù)對(duì)11種可食用野生草本植物的遺傳結(jié)構(gòu)和種群多樣性作調(diào)查時(shí)，在10個(gè)不同的種群中分別進(jìn)行采樣，發(fā)現(xiàn)物種Anagallisarvensis和Sonchusasperssp.glaucescens的遺傳多樣性顯著低于其他9個(gè)物種，原因是由于種群生境的破碎化導(dǎo)致的基因流受到限制.另一方面也說(shuō)明，同等水平下的生境破碎化對(duì)不同物種的影響程度也存在差別[25].這些對(duì)比性的結(jié)果往往是由物種特有的生物學(xué)特性如物種間繁殖模式、生活史長(zhǎng)度和生命周期間的差異等因素引起.在景觀破碎化初期，較長(zhǎng)世代周期或較大的基因流擴(kuò)散距離等生物學(xué)特性有助于物種維持其種群的遺傳多樣性.當(dāng)研究中取樣的時(shí)間尺度、形成破碎化格局所經(jīng)歷的時(shí)間以及生境改變程度完全不同時(shí)，物種表現(xiàn)出的適應(yīng)性機(jī)制也存在差異性[26].研究揭示，即使長(zhǎng)距離的花粉擴(kuò)散能力和物種長(zhǎng)的生命周期能夠抵消預(yù)期遺傳多樣性的丟失，人類(lèi)活動(dòng)引起種群結(jié)構(gòu)的改變對(duì)面積較小隔離種群的遺傳變異造成的影響也是不可避免的.Rosas等對(duì)瀕危樹(shù)種桃花心木(Swieteniahumilis)花粉流和遺傳多樣性的研究發(fā)現(xiàn)，雖然桃花心木在隔離種群和連續(xù)種群中都有強(qiáng)烈的花粉擴(kuò)散能力(>2 000 m)，顯示花粉介導(dǎo)的基因流不因破碎化隔離而被限制，但由于高的遺傳多樣性保存在父本植株中且雄株缺乏，景觀破碎化還是帶來(lái)了一定的有害繁殖成效和負(fù)面遺傳效應(yīng)，說(shuō)明長(zhǎng)距離的花粉擴(kuò)散事件并不足以維持種群的遺傳多樣性，但對(duì)于來(lái)自花粉池中的基因流還是必需的[27].

2　景觀破碎化對(duì)植物種群空間遺傳結(jié)構(gòu)的影響

空間遺傳結(jié)構(gòu)(spatial genetic structure, SGS)指等位基因在空間尺度上的非隨機(jī)分布，是種群的生態(tài)學(xué)過(guò)程和遺傳學(xué)過(guò)程相互作用的結(jié)果[28].由于不同物種之間的生活史特征、世代時(shí)間、傳播能力等自身因素以及外界生態(tài)系統(tǒng)連接度改變、演替改變、氣候變化等因素影響.景觀破碎化過(guò)程或格局對(duì)植物種群遺傳多樣性的影響往往存在時(shí)滯性.因此對(duì)已經(jīng)遭受破碎化潛在影響的植物種群不能采取及時(shí)有效的保護(hù)措施[29].然而，相關(guān)研究提出景觀破碎化對(duì)植物種群早期的遺傳效應(yīng)可能表現(xiàn)在改變種群空間遺傳結(jié)構(gòu)[30].

2.1景觀破碎化對(duì)基因流的影響

植物種群空間遺傳結(jié)構(gòu)的形成是一個(gè)受多因素影響的多階段發(fā)展過(guò)程，影響因素包括由種子和花粉擴(kuò)散介導(dǎo)的基因流、種群密度、現(xiàn)有植株的時(shí)空分布以及微生境的異質(zhì)性等[16].然而在小的居群中，影響種群空間遺傳結(jié)構(gòu)最主要的因素是有限的基因流及隨機(jī)遺傳漂變導(dǎo)致的地理距離隔離.在熱帶森林中，有90%以上的樹(shù)種是靠以果實(shí)為食的動(dòng)物散播種子，種子的擴(kuò)散在很大程度上決定了種群的更新和空間分布模式[31].景觀破碎化導(dǎo)致的斑塊隔離直接限制了食果動(dòng)物的活動(dòng)范圍，降低了種子的擴(kuò)散距離，因此種子可能會(huì)在母株周?chē)练e性擴(kuò)散，增加短距離內(nèi)個(gè)體間的遺傳相似性和空間遺傳強(qiáng)度.同時(shí)由于植株高密度的分布會(huì)在一定程度上限制花粉流的傳播，從而進(jìn)一步提高其空間遺傳結(jié)構(gòu)的顯著性.Harata等通過(guò)選擇10種具有相對(duì)生態(tài)特征(傳粉者、種子擴(kuò)散距離、種群密度和空間分布模式)的龍香腦科(dipterocarp)植物，分析這些因子與小尺度空間遺傳結(jié)構(gòu)(fine-scale spatial genetic structure, FSGS)形成的關(guān)系，結(jié)果顯示：在每個(gè)研究對(duì)象中，小尺度空間的遺傳結(jié)構(gòu)相比大尺度更明顯；多重回歸分析顯示，在小的空間尺度上，種子擴(kuò)散距離對(duì)小尺度空間遺傳結(jié)構(gòu)的形成相對(duì)比較重要，而在較大的空間尺度上，傳粉者和成株的空間分布更重要；在10個(gè)物種中，以體積小、運(yùn)動(dòng)慢的甲殼蟲(chóng)為傳粉者的物種的小尺度空間遺傳結(jié)構(gòu)比以體積大、運(yùn)動(dòng)快的蜜蜂作為傳粉者的物種中更為顯著；成株分布更聚集的物種，小尺度空間遺傳結(jié)構(gòu)也更強(qiáng).說(shuō)明在植物種群微生境中，空間尺度、基因流傳播者及種群密度都與其空間遺傳結(jié)構(gòu)的形成有一定的聯(lián)系[32].

2.2景觀破碎化對(duì)微生境異質(zhì)性的影響

景觀破碎化在改變種群斑塊面積和空間隔離度的同時(shí)，對(duì)于種群生存微生境的異質(zhì)性也會(huì)有所改變.微生境的異質(zhì)性往往也是形成某種遺傳學(xué)特性不可忽視的原因.Sezen等研究了哥斯達(dá)黎加的棕櫚植物(Iriarteadeltoidea)在過(guò)熟林和次生林中的空間遺傳結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)過(guò)熟林中的斑塊直徑為96 m，而次生林中的斑塊直徑為125 m，說(shuō)明景觀基質(zhì)的不同將影響到植物群落的更新格局[33].景觀破碎化引起微生境的物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)在一定程度上的改變，進(jìn)而影響種子的萌發(fā)與生長(zhǎng)，降低成株的繁殖成效或改變其繁殖方式，如通過(guò)植株基部和根系萌蘗新植株，進(jìn)而可能導(dǎo)致植株個(gè)體在短距離內(nèi)呈現(xiàn)聚集分布模式.Ortego等通過(guò)對(duì)地中海長(zhǎng)壽物種麻櫟(Quercusilex)的研究發(fā)現(xiàn)，相比較森林種群，過(guò)度采伐的破碎化麻櫟斑塊中具有大量的克隆性結(jié)構(gòu)個(gè)體，顯示了在人為干擾和生境波動(dòng)下，此物種偏向于無(wú)性繁殖[24].相關(guān)學(xué)者對(duì)片斷化和非片斷化森林中白花延齡草(Trilliumcamschatcens)種群各兩個(gè)年齡級(jí)(成株、幼苗)的小尺度遺傳結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：在非片斷化種群中，兩個(gè)年齡級(jí)都有著顯著的空間遺傳結(jié)構(gòu)；而在片斷化種群中，顯著的空間遺傳結(jié)構(gòu)只出現(xiàn)在成株，推測(cè)可能是由于片斷化生境不利于幼苗萌發(fā)、生長(zhǎng)，該研究結(jié)果提示我們?cè)谖锓N保護(hù)和恢復(fù)中需要重視保護(hù)區(qū)域的景觀基質(zhì)[34].

3　植物種群遺傳效應(yīng)和空間遺傳結(jié)構(gòu)的研究方法及其進(jìn)展

在景觀遺傳學(xué)發(fā)展過(guò)程中，植物遺傳效應(yīng)研究遵循的原則一般為利用高度變異性的分子遺傳標(biāo)記提取基于個(gè)體的遺傳信息，結(jié)合個(gè)體和種群的空間分布信息，利用間接的(如種群遺傳分化指標(biāo)、雜合度等)和直接的(如親子分析、鄰域界定、基因流模型等)種群遺傳結(jié)構(gòu)分析指標(biāo)和模型，從不同角度探測(cè)種群遺傳變異程度和空間遺傳結(jié)構(gòu)，并采用多種空間統(tǒng)計(jì)方法推斷景觀格局特征與種群遺傳結(jié)構(gòu)的因果關(guān)系[35].

在數(shù)據(jù)庫(kù)Web of Science中利用關(guān)鍵字landscape fragmentation，genetic diversity，spatial genetic structure在植物科學(xué)和生態(tài)環(huán)境科學(xué)兩個(gè)研究領(lǐng)域中搜索2005年1月至2014年12月出版的相關(guān)文獻(xiàn)總計(jì)約501篇(圖2)，該領(lǐng)域研究論文數(shù)量逐年增加，說(shuō)明該研究領(lǐng)域越來(lái)越被學(xué)術(shù)界所重視.以相關(guān)性從高至低排序，選擇前100篇對(duì)分子標(biāo)記應(yīng)用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖3).由于利用關(guān)鍵字搜索文獻(xiàn)，遺漏掉一些文獻(xiàn)是在所難免的，所以統(tǒng)計(jì)結(jié)果只能概括一般趨勢(shì).

3.1分子標(biāo)記

分子標(biāo)記以個(gè)體間遺傳物質(zhì)(核苷酸序列)的變異為基礎(chǔ)，能直接反映DNA水平遺傳多態(tài)性.目前，在景觀遺傳學(xué)中應(yīng)用的分子標(biāo)記有18種之多，其中在植物研究中比較普遍的包括微衛(wèi)星DNA，也稱(chēng)簡(jiǎn)單重復(fù)序列(microsatellite, simple sequence repeats, SSR)、擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性(amplified fragment length polymorphism, AFLP)、RAPD及線粒體DNA(mtDNA) 序列、葉綠體DNA (cpDNA )序列等，而應(yīng)用最多的是微衛(wèi)星標(biāo)記[36](圖3).微衛(wèi)星由核心串聯(lián)重復(fù)序列和兩端保守序列組成，其多態(tài)性主要來(lái)源于核心序列串聯(lián)重復(fù)數(shù)目的不同.同時(shí)由于微衛(wèi)星位點(diǎn)在屬內(nèi)種間甚至在科內(nèi)屬間是保守的，因此其微衛(wèi)星引物可以在近緣物種之間通用.近些年來(lái)，基于第二代測(cè)序技術(shù)中RAD測(cè)序的限制位點(diǎn)相關(guān)的DNA(restriction site associated DNA, RAD)標(biāo)記也逐漸在遺傳多樣性分析中得到應(yīng)用[37-38](RAD應(yīng)用統(tǒng)計(jì)歸類(lèi)于其它選項(xiàng)).

圖2　2005-2014年景觀破碎化對(duì)植物遺傳效應(yīng)影響相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)(檢索自Web of Science)Fig. 2　Statistics of literature about plant genetic effect of landscape fragmentation from 2005 to 2014(results based on searches using the Web of Science)

圖3　2005-2014年景觀破碎化對(duì)植物遺傳效應(yīng)影響相關(guān)文獻(xiàn)中分子標(biāo)記使用情況統(tǒng)計(jì)(數(shù)據(jù)來(lái)源為檢索文獻(xiàn)總數(shù)的前100篇)Fig. 3　Statistics of the using molecular markers in study of plant genetic effect of landscape fragmentation from 2005 to 2014(Source from top 100 of total)

3.2統(tǒng)計(jì)分析方法

研究景觀破碎化對(duì)植物遺傳學(xué)效應(yīng)影響時(shí)，選擇任何一種分析方法都需要結(jié)合具體景觀格局形成過(guò)程和種群發(fā)展歷史，為景觀破碎化對(duì)種群遺傳分化的影響方式和強(qiáng)度做出合理的結(jié)論和解釋[39].

在遺傳多樣性數(shù)據(jù)分析方面，常用的軟件包括HP-Rare、GenePop、FSTAT、Cervus、Genalex 等，其中HP-Rare在統(tǒng)計(jì)等位基因多樣性時(shí)可以消除樣本量的差異.通常采用的統(tǒng)計(jì)量包括等位基因數(shù)(A)、期望雜合度(He)、觀察雜合度(Ho)、近交系數(shù)(Fis)、遺傳分化系數(shù)(Fst)以及基因流(Nm)等.一般在分析之前，還需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行連鎖不平衡檢測(cè)、啞基因(null alleles)檢測(cè)及Hardy-Weinberg檢測(cè)，確保研究位點(diǎn)的獨(dú)立性和可行性.在空間遺傳結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析方面，常用的軟件包括GenAIEx、SPAGeDi、STRUCTURE等[40].分析方法包括空間自相關(guān)分析、對(duì)應(yīng)矩陣間的Mantel 檢驗(yàn)、異質(zhì)性檢驗(yàn)、空間遺傳強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)以及主成分分析(PCA)、Bayesian聚類(lèi)分析等.其中空間自相關(guān)分析在植物居群的空間遺傳結(jié)構(gòu)研究中應(yīng)用最廣泛，此方法通過(guò)檢測(cè)一個(gè)位置上的變異是否依賴于鄰近位置的變化, 來(lái)判斷該變異是否存在空間自相關(guān)性, 即是否存在空間結(jié)構(gòu)[41].

3.3取樣策略

實(shí)際研究中，考慮到人力和物力的有限，通常不可能對(duì)研究物種的所有種群和個(gè)體進(jìn)行采樣，這就面臨著如何在可操作的前提下采集包含盡量多變異樣品的問(wèn)題，這關(guān)系到所得研究結(jié)果是否可靠，是否能診斷出破碎化所引起的遺傳效應(yīng)[42].

制定取樣策略時(shí)，一般包含取樣種群數(shù)和每個(gè)種群取樣個(gè)體數(shù)兩方面.通常會(huì)要求樣本量應(yīng)包含居種群95%以上的遺傳變異，或要求樣本包含稀有等位基因的基因頻率小于0.05[43].Brown等根據(jù)近交系數(shù)F變動(dòng)在-1～1之間提出的計(jì)算模型計(jì)算的樣本數(shù)應(yīng)在19～58之間；當(dāng)F值為0時(shí)，隨機(jī)交配的個(gè)體數(shù)是30[44].同樣，Sj?gren等根據(jù)檢測(cè)到頻率為5%稀有等位基因的要求提出的計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果為取樣數(shù)至少要達(dá)到30個(gè)個(gè)體[45].另外，Hamrick等提出利用基因分化系數(shù)Gst來(lái)估算一個(gè)物種應(yīng)取樣的種群數(shù)，得出的結(jié)論是6個(gè)種群基本就能夠包含該物種95%的變異[46].所以，在對(duì)研究對(duì)象的生物學(xué)特性或是生境基質(zhì)特征不太明確的前提下，將采樣種群定在6個(gè)左右，每個(gè)種群30個(gè)左右的個(gè)體數(shù)基本上可以滿足試驗(yàn)需求，同時(shí)由于破碎化導(dǎo)致的生境異質(zhì)性，所以取樣時(shí)，還得考慮樣本個(gè)體的空間分布.此外，針對(duì)破碎化效應(yīng)，許多研究在取樣的同時(shí)，將取樣植株分為不同等級(jí)，如破碎前與破碎后或幼苗、幼株及成株等，以便亞種群間的比較[47-48].總之，我們應(yīng)根據(jù)研究物種的生物特異性(包括繁殖方式、基因流擴(kuò)散機(jī)制、分布范圍)和研究目的，制定合理有效的取樣策略.

4　展　望

由于不同植物的生活史差距很大，對(duì)景觀破碎化的響應(yīng)會(huì)因物種的生物學(xué)特性和具體生境的不同而不同，因此在理解景觀破碎化形成機(jī)制并預(yù)測(cè)其結(jié)果之前，需要對(duì)植物的生態(tài)學(xué)特性和歷史演替過(guò)程有一個(gè)徹底的了解.因此，當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)是實(shí)驗(yàn)研究的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，對(duì)生境和物種的變量在時(shí)間和空間尺度上的精準(zhǔn)量化，以便在未受干擾和干擾后的景觀之間進(jìn)行相互比較.在空間尺度上可以結(jié)合3S技術(shù)，利用GIS將景觀變量疊加于遺傳數(shù)據(jù)上，使空間遺傳格局可視化，并對(duì)相關(guān)的遺傳格局做出假設(shè)[49-50].同時(shí)，相關(guān)學(xué)者提出從植株個(gè)體的角度研究驅(qū)動(dòng)其繁殖與更新的過(guò)程，利用多學(xué)科方法研究基因擴(kuò)散時(shí)空動(dòng)態(tài)過(guò)程新的觀點(diǎn)[51].

因此，在研究景觀破碎化過(guò)程或格局對(duì)植物種群造成影響的過(guò)程中，必須加強(qiáng)多學(xué)科之間的相互交流，提出并相互采用可行的研究方法，推導(dǎo)出一般的適用于破碎化植物景觀遺傳學(xué)研究的原則，從而對(duì)因破碎化影響而產(chǎn)生實(shí)際動(dòng)態(tài)過(guò)程有一個(gè)合理的評(píng)估與預(yù)測(cè).

[1] POGSON, B. Habitat fragmentation reduces biodiversity[J]. Science,2015,347(6228):1325-1325.

[2] TILMAN D, MAY R M, LEHMAN C L, et al. Habitat destruction and the extinction debt[J]. Nature,1994,371(6492):65-66.

[3] MITCHELL M G, SUAREZ-CASTRO A F, MARTINEZ-HARMS M, et al. Reframing landscape fragmentation’s effects on ecosystem services[J]. Trends in Ecology & Evolution,2015,30(4):190-198.

[4] FAHRIG L. Effects of habitat fragmentation on biodiversity[J]. Annual Review of Ecology Evolution and Systematics,2003,34(487):487-515.

[5] WATLING J I, NOWAKOWSKI A J, DONNELLY M A. Meta-analysis reveals the importance of matrix composition for animals in fragmented habitat[J]. Global Ecology and Biogeography,2011,20(2):209-217.

[6] ORTEGO J, AGUIRRE M P, NOGUERALES V, et al. Consequences of extensive habitat fragmentation in landscape-level patterns of genetic diversity and structure in the Mediterranean esparto grasshopper[J]. Evolutionary Applications,2015,8(6):621-632.

[7] MIAO Y C, LANG X D, ZHANG Z Z, et al. Phylogeography and genetic effects of habitat fragmentation on endangeredTaxusyunnanensisin southwest China as revealed by microsatellite data[J]. Plant Biology,2014,16(2):365-374.

[8] MAY M R, GODFREY J. Biological diversity:differences between land and sea(and discussion)[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society Biological Sciences,1994,343(1303):105-111.

[9] PAULS S U, NOWAK C, BáLINT M, et al. The impact of global climate change on genetic diversity within populations and species[J]. Molecular Ecology,2013,22(4):925-946.

[10] HUGHES A R, INOUYE B D, JOHNSON M T, et al. Ecological consequences of genetic diversity[J]. Ecology Letters,2008,11(6):609-623.

[11] 武晶，劉志民.生境破碎化對(duì)生物多樣性的影響研究綜述[J].生態(tài)學(xué)雜志，2014，33(7)：1946-1952.

[12] MéNDEZ M, V?GELI M, TELLA J L, et al. Joint effects of population size and isolation on genetic erosion in fragmented populations: finding fragmentation thresholds for management[J]. Evolutionary Applications,2014,7(4):506-518.

[13] WANG Y, ZHU Y, WANG Y. Differences in spatial genetic structure and diversity in two mosses with different dispersal strategies in a fragmented landscape[J]. Journal of Bryology,2012,34(1):9-16.

[14] ZENG D F, CHEN B. Genetic variability and bottleneck detection of fourTricholomamatsutakepopulations from northeastern and southwestern China[J]. Environmental Microbiology,2015,17(8):2870-2881.

[15] 陳小勇.生境片斷化對(duì)植物種群遺傳結(jié)構(gòu)的影響及植物遺傳多樣性保護(hù)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2000，20(5)：884-892.

[16] YE Q, TANG F, WEI N, et al. Molecular and quantitative trait variation within and among small fragmented populations of the endangered plant speciesPsilopeganumsinense[J]. Annals of Botany,2014,113(1):79-86.

[18] RAABOVA J, VAN ROSSUM F, JACQUEMART A . Population size affects genetic diversity and fine-scale spatial genetic structure in the clonal distylous herbMenyanthestrifoliata[J]. Perspectives in Plant Ecology, Evolution and Systematics,2015,17(3):193-200.

[19] CRISTOFANI-YALY M, NOVELLI V M, BASTIANEL M, et al. Transferability and level of heterozygosity of microsatellite markers in citrus species[J]. Plant Molecular Biology Reporter,2011,29(2):418-423.

[20] FINGER A, KETTLE C J, KAISER-BUNBURY C N, et al. Forest fragmentation genetics in a formerly widespread island endemic tree:Vateriopsisseychellarum(Dipterocarpaceae)[J]. Molecular Ecology,2012,21(10):2369-2382.

[21] 葛頌.植物群體遺傳結(jié)構(gòu)研究的回顧和展望[M].北京：高等教育出版社，1997：1-15.

[22] TEE K L, WONG T S. Polishing the craft of genetic diversity creation in directed evolution[J]. Biotechnology Advances,2013,31(8):1707-1721.

[23] MOREIRA P A, FERNANDES G W, COLLEVATTI R G. Fragmentation and spatial genetic structure inTabebuiaochracea(Bignoniaceae)a seasonally dry Neotropical tree[J]. Forest Ecology and Management,2009,258(12):2690-2695.

[24] ORTEGO J, BONAL R, MUOZ A. Genetic consequences of habitat fragmentation in long-lived tree species: the case of the Mediterranean Holm Oak (Quercusilex,L.)[J]. The Journal of Heredity,2010,101(6):717-726.

[25] PSAROUDAKI A, NIKOLOUDAKIS N, SKARACIS G, et al. Genetic structure and population diversity of eleven edible herbs of Eastern Crete[J]. Journal of Biological Research,2015,22(1):1-11.

[26] SORK V L, WAITS L. Contributions of landscape genetics-approaches, insights, and future potential[J]. Molecular Ecology,2010,19(17):3489-3495.

[27] ROSAS F, QUESADA M, LOBO J A, et al. Effects of habitat fragmentation on pollen flow and genetic diversity of the endangered tropical treeSwieteniahumilis(Meliaceae)[J]. Biological Conservation,2011,144(12):3082-3088.

[28] EPPERSON B K. Spatial distributions of genotypes under isolation by distance[J]. Genetics,1995,140(4):1431-1440.

[29] ESSL F, DULLINGER S, RABITSCH W, et al. Delayed biodiversity change: no time to waste[J]. Trends in Ecology & Evolution,2015,30(7):375-378.

[30] VAN ROSSUM F, TRIEST L. Fine-scale genetic structure of the commonPrimulaelatior(Primulaceae) at an early stage of population fragmentation[J]. American Journal of Botany,2006,93(9):1281-1288.

[32] HARATA T, NANAMI S, YAMAKURA T, et al. Fine-scale spatial genetic structure of ten dipterocarp tree species in a bornean rain forest[J]. Biotropica,2012,44(5):586-594.

[33] SEZEN U U, CHAZDON R L, HOLSINGER K E. Genetic consequences of tropical second-growth forest regeneration[J]. Science,2005,307(5711):891.

[34] YAMAGISHI H, TOMIMATSU H, OHARA M. Fine-scale spatial genetic structure within continuous and fragmented populations ofTrilliumcamschatcense[J]. The Journal of Heredity,2007,98(4):367-372.

[35] 沈澤昊，吉成均.景觀遺傳學(xué)原理及其在生境片斷化遺傳效應(yīng)研究中的應(yīng)用[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30(18)：5066-5076.

[36] STORFER A, MURPHY M A, SPEAR S F, et al. Landscape genetics: where are we now?[J]. Molecular Ecology,2010,19(17):3496-3514.

[37] 王冠杰，周波，李玉花.RAD標(biāo)記測(cè)序及其在分子育種中的應(yīng)用[J].中國(guó)生物化學(xué)與分子生物學(xué)報(bào)，2012，28(9)：797-803.

[38] EMERSON K J, MERZ C R, CATCHEN J M, et al. Resolving postglacial phylogeography using high-throughput sequencing[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences,2010,107(37):16196-16200.

[39] EWERS R M, DIDHAM R K, PEARSE W D, et al. Using landscape history to predict biodiversity patterns in fragmented landscapes[J]. Ecology Letters,2013,16(10):1221-1233.

[40] MANEL S, SCHWARTZ M K, LUIKART G, et al. Landscape genetics: combining landscape ecology and population genetics[J]. Trends in Ecology & Evolution,2003,18(4):189-197.

[41] LEGENDRE P. Spatial autocorrelation:trouble or new paradigm?[J]. Ecology,1993,74(6):1659-1673.

[42] ANDERSON C D, EPPERSON B K, FORTIN M J, et al. Considering spatial and temporal scale in landscape-genetic studies of gene flow[J]. Molecular Ecology,2010,19(17):3565-3575.

[43] MARSHALL D R, BROWN A. Optimum sampling strategies in genetic conservation[M]//FRANKEL O H, HAWLES J G. Crop Genetic Resource for Today and Tomorrow. London: Cambridge University Press,1975:53-70.

[44] BROWN A, MORAN G F. Isozymes and the genetic resources of forest trees[M]// Conkle M T.Isozymes of north American forest trees and forest insects pacific south west forest and range experiment station technical report No.48. Washington, D C：US Department of Agriculture,1981:1-10.

[45] SJ?GREN P, WY?NI P I. Conservation genetics and detection of rare alleles in finite populations[J]. Conservation Biology,1995,8(1):267-270.

[46] HAMRICK J K, GODT M J W, MURAWSKI D A, et al .Correlation between species traits and allozyme diversity: implication for conservation biology[M]// FALK D A,HOLSINGER K E. Genetics and conservation of rare plants. New York: Oxford University Press,1991:75-86.

[47] HAMRICK J L. Response of forest trees to global environmental changes[J]. Forest Ecology and Management,2004,197(1/2/3):323-335.

[48] 金燕,盧寶榮.遺傳多樣性的取樣策略[J].生物多樣性，2003，11(2)：155-161.

[49] SEGELBACHER G, CUSHMAN S A, EPPERSON B K, et al. Applications of landscape genetics in conservation biology: concepts and challenges[J]. Conservation Genetics,2010,11(2):375-385.

[50] MILLETTE K L, KEYGHOBADI N. The relative influence of habitat amount and configuration on genetic structure across multiple spatial scales[J]. Ecology and Evolution,2015,5(1):73-86.

[51] BACLES C F, JUMP A S. Taking a tree’s perspective on forest fragmentation genetics[J]. Trends in Plant Science,2011,16(1):13-18.

On the Genetic Effects of Landscape Fragmentation on Plant Populations and Research Methods

DING Zhaohong1, LU Junting1, LU Jianbo1,2

(1.College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China; 2.Qianjiang College,Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

Landscape fragmentation decreases habitat scale, intensifies spatial isolation of habitats and directly or indirectly affects the population genetic diversity and spatial genetic structure. To clear the effects of the changes of landscape features on population viability, it needs not only collect quantities of empirical researches to describe the general rules, but also quantify the changes of habitats and species in time and space scales to standardize experimental study design. This paper summarizes genetic effects of landscape fragmentation on plant populations and reviews the research methods commonly used in this filed. Furthermore, interdisciplinary exchanges should be strengthened in order to discover and create new research areas and methods.

landscape fragmentation; plant population; genetic diversity; spatial genetic structure; research methods

2015-09-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31170448)；浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目(2014R421076).

盧劍波(1963-)，男，教授，博士，主要從事景觀生態(tài)學(xué)、遙感應(yīng)用等研究.E-mail: jianbo.lu@hznu.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-232X.2016.05.010

Q948.1

A

1674-232X(2016)05-0502-07