互花米草沿纬度梯度的生态适应性研究进展

刘文文，陈欣淙，王佳瑜，吴福佳，陈亚松，黄 昊，夏 露，张原野，张宜辉

(1.厦门大学环境与生态学院，滨海湿地生态系统教育部重点实验室，福建 厦门 361102；2.南京大学生命科学学院，江苏 南京 210023)

互花米草(Spartinaalterniflora)是一种多年生的禾本科草本植物，主要生长于受潮汐影响的滨海滩涂湿地.互花米草根系发达，主要分布于0～30 cm 的土层内，有时可延伸到50 cm以上，且地下茎横向分布可达50 cm左右.互花米草株高通常为1.0～3.5 m，基径为0.5～1.5 cm；叶互生，长可达90 cm，宽可达1.5 cm左右，叶片具有盐腺；圆锥花序，长20～50 cm，具有10～30个穗形总状花序，每个花序有16～30个小穗，小穗侧扁，长约1 cm；两性花，异花传粉，两柱头长0.5～1.0 cm，呈白色羽毛状；雄蕊3个，花药长5～7 mm，成熟时纵裂，花粉黄色；种子通常在8—10月成熟，颖果长0.8～1.5 cm，胚呈浅绿色或蜡黄色[1-4].互花米草的花期为7—10月，一般低纬度先于高纬度开花，并且异花授粉的结实率高于自花授粉[4-7].互花米草主要有无性和有性两种繁殖策略：无性繁殖主要通过根状茎的克隆生长或断裂的根状茎维持更新种群，而有性繁殖主要通过种子实现远距离传播并开拓新生境[8].

互花米草原产于北美大西洋海岸及墨西哥湾，从美国德克萨斯州到加拿大的新斯科舍都有分布(27°～43° N)[9-10]，已被引入许多国家和地区，经过自然扩散或人工种植传播，目前其纬度分布范围很广，从南半球的47° S到北半球的60° N都有分布[2].它已经被引入欧洲的大西洋海岸如法国[11]和英国[12-13]，南美洲的巴西和阿根廷[14-15]，非洲的南非[16]，大洋洲的澳大利亚[17]和新西兰[18]，亚洲的中国、日本和朝鲜半岛[19-22]，以及美国的西海岸[23-24]，逐渐成为全球滨海湿地生态系统中最为严重的入侵植物之一[2,10,25].

为了保护海滩和促淤造陆，我国于1979年从美国的北卡罗来纳州(North Carolina)、佐治亚州(Georgia)、佛罗里达州(Florida)3个不同地理区域引入3种生态型的互花米草，并于1981年在福建省罗源湾试种成功[19].这3种来自不同地理区域的互花米草生态型发生了遗传杂交，具有显著的杂种优势，促进了互花米草在中国不同地理区域的成功定殖[26].经过40多年的人工种植或自然扩散，互花米草从海南省儋州(19° N)到辽宁省葫芦岛(40° N)的沿海滩涂均有分布[4,27-30].互花米草在我国沿海地区的快速扩张蔓延，对滨海湿地生物多样性、生态系统结构和功能造成了严重威胁，是2003年原国家环保总局发布的第一批入侵物种名单中唯一的盐沼植物[2]，中国也成为世界上互花米草入侵规模最大的国家[10].在中国，互花米草不仅在地理尺度上分布广泛，在局域空间尺度上，如沿潮位[31]和沿流域[32]梯度也占据较宽的生态位.以上不同环境梯度代表不同的生境异质性，其环境条件均呈现出一定的变异格局；而纬度代表的是一个更加复杂的环境条件综合体，大量生物和非生物环境因子存在明显的交互作用，形成了强烈的自然选择压力，驱动外来入侵物种的快速适应进化过程[33].在原产地美国，经过长期与生物和非生物的相互作用，互花米草的生长发育性状已沿纬度梯度形成相对较稳定的变异格局[9,34]，但入侵地中国沿纬度梯度的生物和非生物环境与原产地不同，因此互花米草原有的性状特征或遗传特性可能发生变化，尤其是在自然选择条件下形成的适应性性状更有利于互花米草在中国沿海滩涂的繁殖、竞争、扩散和传播[4,6,25,35-37].因此，通过比较互花米草在入侵地和原产地沿纬度梯度的生长发育性状、遗传多样性和遗传结构等方面变异格局的异同，能够为研究互花米草是否会发生快速进化，其生态位相对原产地是否会发生迁移，以及预测其入侵路径提供实验证据，从而可以解释互花米草入侵形成的原因和生态适应性机制，以及不同适应性机制在入侵过程中所起的作用[10,38-40].

本文从互花米草的生长发育性状(种子萌发性状、营养生长性状、开花物候和有性繁殖性状)、性状间的相关关系和种群遗传结构几个方面阐述其不同性状的纬度变异格局，重点分析纬度变异格局的生态适应性机制(图1)，并提出将来需要重点加强和研究的方向.

1 生长发育性状对纬度梯度的生态适应

1.1 种子萌发性状

种子的萌发性状是决定植物生态位和地理分布的重要因素之一[44-47]，并与植物的入侵能力成正比[48-49].已有研究表明，种子萌发性状是影响互花米草在入侵地中国和原产地美国西海岸快速扩张的关键因素之一[50-51].在原产地美国，Seneca[52]把采自12个不同纬度种群的互花米草种子经过3个月的春化处理后，进行不同昼夜变温周期(25～10 ℃、30～15 ℃、35～20 ℃、40～25 ℃)的培养，发现原产地互花米草种子的萌发性状沿纬度梯度对温度产生了局域适应，并具有一定的遗传变异基础.随后，Somers等[53]发现不同地理区域互花米草种群的早期萌发性状对纬度梯度的适应，导致开花物候也发生了地理分化.在入侵地，汪秀岩等[54]利用纸上发芽法，比较互花米草入侵地中国高纬度和低纬度来源的种子在不同温度条件下的萌发性状，发现高纬度来源的种子萌发率高于低纬度来源的种子，且高低纬度来源的种子萌发性状在不同温度条件下的响应存在差异，表明入侵地互花米草的种子萌发性状可能对不同地理区域的气候产生了局域适应.最近一项关于入侵地和原产地的对比研究[55]发现：在入侵地中国，互花米草种子的萌发率沿纬度梯度已形成线性增长的适应格局，这与原产地美国萌发率沿纬度梯度呈现线性递减的适应格局不同(图2(a)～(d))；但与原产地相似的是，随着纬度升高萌发时间发生了逐渐提前的快速适应.这表明互花米草种子的萌发性状在入侵地中国沿纬度梯度发生了快速的适应性进化，且其适应策略因生境的环境因子差异而发生了变化.

1.2 营养生长性状

与入侵植物营养生长有关的形态特征如植株性状、地上和地下生物量性状，以及叶片性状等，通过影响植物的生存和竞争能力影响植物的入侵性[58-60].在原产地美国，互花米草的营养生长性状如单株克隆斑块大小、地上生物量、地下生物量、地上和地下生物量的分配比、植株高度、基径、密度、叶片大小等均沿纬度发生了地理变异，并随纬度升高呈现递减的变化趋势(图2(e))，这种变异主要与许多非生物因素相关，比如遗传距离、年均温、年积温、年总降水量、潮差、土壤有机质以及生物因素取食压力等[9,34,61-65]；其中大部分营养生长性状在同质种植园中仍然保持着差异，类似地呈现递减的变化趋势(图2(f))，表明这些变异具有一定遗传基础，并发生了遗传分化[26,36-37,49,53,56,64,66-67].由于互花米草在中国入侵到比原产地更低的纬度(<27° N)，其营养生长性状如植株高度、叶片大小、节长、基径、地上生物量等沿纬度呈现驼峰型的变化趋势(图2(g))，密度与纬度呈现凹型的变化趋势，这些变化主要与年均温、降水量、潮差、盐度以及富营养化等非生物因素有关[4,36-37,57,63,68-69].然而，野外互花米草的上述变异格局在同质种植园中消失了(图2(h))，表明这些变异主要是由表型可塑性导致的[4,36-37,57].

1.3 开花物候

在植物入侵过程中，开花物候是植物营养生长与生殖生长实现权衡的关键，开花早会导致植物营养生长不足但有利于有性繁殖，开花晚则有利于营养生长但影响有性繁殖，因此开花物候是决定入侵植物地理分布的重要因素之一[70].在原产地美国野外自然生境暂无开花物候相关报道(图2(i))，而在同质种植园中(>27° N)，互花米草开花物候随着纬度升高逐渐提前(图2(j))[3,52-53]，并且开花时间对地上和地下生物量的分配产生了影响[5]；但到更高纬度(>46° N)时已不能开花，可能是由于高纬度地区互花米草由营养生长转入繁殖生长的过程受到阻碍[71-72]，表明原产地互花米草的开花物候沿纬度梯度已发生了遗传分化.在入侵地中国，互花米草的纬度分布范围广泛，跨越温带、亚热带和热带3个气候带，其开花物候发生了地理变异：Qiu等[6]通过连续2年的野外观测发现开花物候随纬度升高逐渐推迟，而Chen等[7]通过连续4年的野外观测在更广的纬度范围内发现高纬度种群开花物候早于中纬度种群(图2(k))，这些纬度变异格局主要是由于温度和潮差等非生物环境因子沿纬度梯度的变化引起的；但在同质种植园中发现，开花物候呈现随纬度升高逐渐提前的线性变化格局(图2(l))，表明互花米草的开花物候可能沿纬度进化出与原产地相似的渐变群格局[7,66,73].

1.4 有性繁殖性状

有性繁殖的种子在入侵植物传播和到达阶段比较重要，是影响外来植物成功入侵的重要性状[74-75].已有研究表明，互花米草有性繁殖的种子是互花米草大面积扩散的主要原因之一[10].在原产地美国，互花米草的结实率沿纬度呈现驼峰型的变化趋势(图2(m))，但这种变化格局在连续3年的同质种植园中消失了(图2(n))，表明结实率性状并未沿纬度梯度发生遗传变异[37,49].但在入侵地中国，互花米草的结实率沿纬度呈现线性增长的变化格局(图2(o))，并且这种变化格局在多个同质种植园实验中保持，趋势随着同质种植园的纬度发生变化(图2(p))，证实遗传和环境的交互作用是有性繁殖性状随纬度线性增加的主要原因，表明在入侵地中国，互花米草的有性繁殖性状沿纬度发生了快速的适应性进化[4,6,57].在入侵地中国互花米草的结实率沿纬度进化出随纬度线性增加的渐变群格局，但在原产地美国互花米草的结实率沿纬度未进化出与入侵地相似的渐变群格局，表明互花米草在入侵地和原产地的适应策略和进化方向不同[37]，且入侵地互花米草种群的授粉模式可能由自交不亲和逐渐进化为自交亲和[76].

原产地和入侵地的互花米草上述生长发育性状的主要适应机制详见表1.

表1 原产地(美国)和入侵地(中国)互花米草的主要适应机制Tab.1 Main adaptation mechanisms of S.alterniflora in the native range (USA) and invasive range (China)

2 生长发育性状间的相关关系对纬度梯度的生态适应

在地理尺度下，随着纬度升高，植物有机体会倾向于推迟生活史的起始，并且在高纬度区域低温等环境条件的作用下，植物生活史长度会显著缩短以降低适合度的损失[77].互花米草在高纬度区域显著缩短的花期长度也证明了这一点[6].此外，互花米草的不同生长发育性状之间存在一定的相关关系，呈现一定的生活史对策选择.在原产地局域尺度下，互花米草的营养生长性状(植株高度)与有性繁殖性状(如开花可能性和花序生物量)之间的相关关系存在显著的时空变化[78]；不同纬度区域互花米草种群的开花时间与结实率之间也存在一定的负相关关系[3].但在入侵地中国，目前仅有少量研究工作关注地理尺度下互花米草的生活史对策，如已有研究工作探明在野外大尺度纬度梯度下，互花米草开花时间和植株高度存在显著的正相关关系，但这种关系在同质种植园中变得十分微弱[7].然而，在同质种植园中，入侵地互花米草的生物量与开花时间呈负相关关系，打破了通常认为的植株开花早而个体小的限制，且在入侵地互花米草提前开花还会促使其地上生物量向地下生物量的转变[56].进一步实验发现，入侵地种群也打破了原产地美国互花米草种群由遗传决定的植株高度和分蘖株数的负相关关系，表现为正相关关系，同时具有对光(纵向)和空间资源(横向)的竞争优势[26].

3 种群遗传结构沿纬度梯度的变化

互花米草为六倍体(2n=60,62)，是米草属中基因组最大的植物(3.6 pg或1 763.9 Mbp)[79-80].目前，对互花米草遗传学的研究分为个体和种群两个层面[81].在个体遗传学层面上的研究主要集中在对互花米草抗盐、抗旱等抗逆基因的筛选及开发应用上[82-84],例如通过比较不同盐度下互花米草转录组的差异表达，筛选出与互花米草的耐盐能力高度相关的基因[84-85].在种群层面上，已有研究集中在对不同互花米草种群间遗传分化(或进化)以及分化(或进化)速率的调查上[26,86-87],例如通过比较不同年龄种群的克隆多样性发现，在互花米草建群最初的300～500年间，种群以每百年1%的速率降低其克隆多样性；在建群500～1 500年后，克隆多样性降得很低，种群内仅剩下各自特有的克隆体[88].

生物在进化过程中，如果不同基因型个体的适合度不同，那么受到自然选择青睐的基因和基因型个体也会倾向于增加相对频率，因此占领不同环境的种群往往表现出对应环境梯度的遗传结构[89].O’Brien等[90]使用随机扩增多态性DNA标记(randomly amplified polymorphic DNA,RAPD)对美国大西洋和墨西哥湾沿岸的互花米草种群进行的遗传调查显示：种群间的遗传距离与地理距离成正比，按亲缘关系远近可分为3个独立组，即新英格兰/新泽西组、北卡罗来纳/南大西洋组，以及墨西哥湾组.Blum等[91]对原产地种群叶绿体片段和核微卫星序列进行的分析结果显示：北美大西洋沿岸的互花米草种群以切萨皮克湾为界分为南、北两组，种群间的遗传距离与地理距离有一定的相关性.此外，小尺度研究发现，美国大西洋及墨西哥湾沿岸的互花米草种群间的遗传距离也随地理距离的增加而增加，如位于萨宾国家野生动物保护区及路易斯安那海湾沿岸的互花米草种群[86,88].以上研究表明，地理尺度的隔离、互花米草的扩散限制塑造了其原产地种群遗传结构.

然而，中国沿海互花米草种群的遗传结构与纬度梯度间未观测到相关性.扩增片段长度多态性(amplified fragment length polymorphism,AFLP)、微卫星、核内表达序列标签(expressed sequence tag,EST)以及叶绿体trnT2-rps4、rbcL-psaI、trnT-trnL和线粒体nad1的基因片段变异均支持这一结论[87,92-96].聚类分析表明，各种群之间亲缘关系的远近与地理距离不相关，如地理距离很远的天津与福建种群具有最近的亲缘关系，而地理距离较近的浙江与福建种群之间具有相对较远的亲缘关系[87,92-95].同一物种的遗传多样性可能存在地理变异，与地理纬度、气温及降水等环境因子有紧密联系[89].然而，AFLP、微卫星标记分析显示中国沿海互花米草种群遗传多样性沿纬度梯度未呈现规律性变化[87,95].相对于地理尺度，小尺度研究发现，盐城滩涂(射阳、大丰及东台)的互花米草种群间的亲缘关系与地理距离呈正相关[97]，而其他种群亲缘关系与地理距离均不相关[98-99].

种群年龄、人工引种和近期扩散是造成中国东部沿海及美国东部沿海的种群遗传结构产生差异的原因[19,88].原产地美国的盐沼互花米草种群形成的时间有1 500余年，而中国引入互花米草的时间仅有40多年[19,88].Travis等[88]发现在原产地美国互花米草种群的克隆多样性以每百年1%的速率下降，可能与对当地环境局域适应有关.尽管中国引入互花米草时间较短，但在某些特定的微卫星位点上仍观测到入侵地(21°～41° N)与种源地(27°～34° N)的互花米草种群间发生遗传分化，可能与快速适应性进化有关[87,96].此外，由于中国各种群间基因流较弱且伴随入侵后快速进化，中国沿海的不同互花米草种群间遗传分化水平已远高于美国种源地的种群，并与美国原产地种群间的分化水平相当[87,96].使用微卫星标记，对日本爱知县和熊本县滨海湿地的3个互花米草种群进行遗传结构分析观测到，3个种群间发生明显的遗传分化，推测日本种群多次引种于不同种源地[22].Qiao等[26]的核微卫星遗传分析结果支持在入侵地中国互花米草种群的建群者来自不同的种源地，且存在种内不同来源的杂交.在引种互花米草的初期，曾将互花米草根据种源地和表型特征分为3个生态型，目前的分子证据支持在中国沿海不同地区引种的互花米草是这3种生态型杂交的后代[19,26,87,95].

4 总 结

互花米草引入中国40多年以来，其生长发育性状和生活史对策在不同纬度环境条件下已逐渐形成非常显著的渐变群格局，并产生了一系列对纬度梯度的生态适应性机制(图1)：

1) 入侵地互花米草营养生长性状对纬度梯度的生态适应过程中，表型可塑性的作用大于遗传分化的作用；有性繁殖性状(种子萌发、结实率和开花物候)对纬度梯度的生态适应过程中，既有表型可塑性和遗传分化独立的影响，又有遗传和环境协同作用的效应.因此，在入侵地中国，互花米草的有性繁殖性状比营养生长性状更易发生快速的适应性进化.

2) 入侵地和原产地互花米草的不同性状沿纬度梯度的进化趋势不同，入侵地互花米草的营养生长性状还未进化出与原产地相似的以遗传为基础的线性递减的渐变群格局，这可能是因为中国引入互花米草的时间较短，还不足以在纬度梯度上发生适应性进化.与此相反，入侵地互花米草的有性繁殖性状表现出以遗传为基础的随着纬度增长且线性升高的渐变群格局，而原产地表现出以表型可塑性为主要作用的驼峰型渐变群格局，这可能是因为中国沿海高纬度区域没有其他本土植物与互花米草形成强烈的竞争关系，空余生态位较多，适合互花米草的自然扩散和传播，对有性繁殖性状进行自然选择而发生了沿纬度梯度的快速适应性进化.

3) 入侵地互花米草种群的生长发育性状之间的相关关系发生了变化，主要表现在开花时间与营养生长之间的关系由原产地的正相关关系逐渐变得很微弱，甚至转变为负相关关系，且植株高度与密度之间的关系也由原产地的负相关关系转变为正相关关系，这可能是因为入侵地中国的生物环境(天敌释放)和非生物环境相对原产地较优越，以及种源之间充分的遗传混合打破了原有的生活史对策格局，使得互花米草在特殊环境条件下不受性状之间权衡关系的限制.

4) 与原产地互花米草种群不同，在对中国互花米草种群的遗传结构调查中，并未观测到与纬度梯度相关的遗传结构，这可能是因为互花米草来源于多个种源地，不同来源的种群引入福建省罗源湾后发生了种内杂交，杂交后代再被人为引种到不同纬度.入侵种群没有经历显著的瓶颈效应，多来源和种内杂交丰富了入侵种群的遗传多样性，为自然选择提供了原材料，为快速适应性进化奠定了基础.

外来物种的入侵机制复杂多变，而已有针对互花米草入侵机制的研究多从某一方面入手，对机制的理解是相对片面的.互花米草沿纬度梯度的成功入侵是多种入侵机制在其生活史的各阶段相互作用的综合结果.本文通过整合互花米草的不同生长发育性状、性状间的相关关系及种群遗传结构等多方面沿纬度变异格局的全境性研究，相互补充并完善了入侵植物互花米草生活史全过程对纬度梯度的生态适应性，从更全面的视角阐明了互花米草沿纬度梯度主要通过局域适应、表型可塑性、自然选择、快速适应性进化、种内杂交及遗传变异等机制实现成功入侵.

基于互花米草沿纬度梯度的生态适应性研究进展，提出在入侵地中国不同纬度区域应采取不同的防控对策.在高纬度区域，种间竞争强度小，取食压力低且存在大量的空余生态位，驱动互花米草有性繁殖性状进化出较高的种子结实率和产量，促进了其在高纬度区域的快速扩张，因此在互花米草孕穗期至扬花期进行刈割或干扰，可取得较好的控制效果；在低纬度区域，高温胁迫，种间竞争强度大且取食压力大，驱动互花米草将更多能量用于无性克隆繁殖，促进了其在低纬度区域的局域扩张，因此在互花米草分蘖期进行刈割或干扰，可取得较好的控制效果.

5 展 望

基于全球性滨海湿地入侵植物互花米草在中国40多年入侵和扩散历史的时间尺度，及其占据广阔纬度分布范围的空间尺度，本文综述了互花米草不同生物学性状宏观尺度的地理变异格局；但针对互花米草不同性状间的相关关系，包括性状间的权衡关系和整体生活史过程等的研究还很欠缺，这将是系统理解互花米草进化响应和入侵动态的重要手段.目前关于局域适应、表型可塑性、自然选择、快速适应性进化、种内杂交及遗传变异等适应性机制在地理变异格局中的作用均有相关研究报道，但仍存在一些其他适应性机制需继续加以验证和补充.

此外，本文从微观尺度系统阐述了互花米草的遗传结构和变异水平，但目前将宏观与微观尺度相结合的研究很欠缺，后续结合宏观与微观开展相关研究工作将有助于明确遗传结构的调控对于互花米草生活史适应变化的影响过程，由此加深对互花米草入侵性的理解.需要特别强调的是，之前用于检测中国滨海湿地互花米草种群遗传结构的分子标记多为“中性”，故由这类标记所获得的DNA片段可能并未参与过自然选择[100-101].对于互花米草种群的遗传分化研究还存在诸多不一致之处[26,87,96]，例如采用核基因和叶绿体基因标记的结果有所不同，不同标记间结果不一致，这可能是由不对称基因流以及标记与选择位点连锁导致的.基因组重测序研究将更好地解析这些不一致性，深入解析种群遗传结构.此外，组学分析还可以引入转录组学和代谢组学，表征生长激素和防御物质的含量和基因活性，丰富互花米草表型观测的维度，结合重测序数据阐明其快速适应的分子机制.

互花米草不仅在较广泛的地理尺度上表现出卓越的生态适应性，在沿潮位及流域等空间小尺度上也展现出极强的入侵能力；而在该尺度下，互花米草各生活史阶段对环境梯度的响应与适应研究尚存在大量空白.从不同的研究空间尺度出发，未来针对互花米草的研究还需要重点加强多种方法与层次的结合，以期进一步深入揭示互花米草入侵的过程和机制.