香果树保护生物学研究进展

郑子洪，郑伟成，郑蓉，唐战胜，陈旭波，骆争荣

（1.浙江九龙山国家级自然保护区管理中心，浙江 遂昌 323300；2.丽水学院生态学院，浙江 丽水 323000）

香果树Emmenopterys henryi为茜草科Rubiaceae 香果树属Emmenopterys落叶大乔木，是第四纪冰川孑遗植物之一。香果树是一个区域广布种，主要分布于陕西、甘肃、安徽、江苏、浙江、江西、福建、河南、湖北、湖南、广西、广东、四川、贵州和云南东北部至中部海拔430～ 1 630 m 处的山谷林中[1]。香果树是香果树属中已知的唯一现存种[1]，目前香果树已经成为了香果树属系统演化上的一个盲枝[2]。由于人类过度开发森林和土地资源，香果树的生境受到了极大的破坏，生境片段化加上自身内在原因如种子萌发率低等，使得其天然更新能力差，种群数量越来越少，正濒临灭绝，已被列为国家二级保护植物[3]，因此，急需研究其濒危原因以便加大保护力度。本文从生物与生态学特征、遗传多样性和繁育技术等方面综述了香果树的研究现状，提出了现有研究存在的不足，并对今后的研究方向进行展望，以便后期进一步深入研究和保护香果树。

1 生物学特性研究

1.1 生长发育节律和物候研究

郭连金等对武夷山香果树种群的开花物候及其影响因素的研究发现，23 年生香果树个体开始进入生殖期，其单花花期为5～ 9 d，单株花期为15～ 16 d，始花期随着树龄的增加逐渐提前，随海拔升高逐渐推迟，居群花期持续时间在36～ 61 d[4-6]。香果树个体平均产86 个花枝、7 388 朵花、95 个果实，每个花序有花18～ 30 朵，始花期越早花果的数量越多[4-5,7]。树龄和海拔是单花花期的主要影响因素[4]。单花花期随树龄的增加，呈幂函数的上升趋势；海拔越高，单花花期越长。香果树花和果的败育率较高，分别达81.45%和58.12%，植株所在生境和花果所在的树冠位置对花和果的败育率有显著影响[7]。另外，光照、气温、湿度、坡向、乔木层盖度等都对香果树花果数量有一定的影响[4-5,7]。

1.2 营养器官解剖结构研究

叶片解剖结构与香果树的生活环境相适应[8]。正常光照下，香果树叶为典型异面叶，拥有中生型叶片的构造，气孔类型为平列型，仅分布于下表皮，栅栏组织发达，叶肉细胞叶绿体与细胞壁平行分布，呈梭形，类囊体排列均匀，淀粉粒和嗜锇颗粒较少[8–10]。遮光条件下香果树叶片的厚度、气孔密度、气孔器的长度、宽度及面积显著减小，叶片上表皮增厚，下表皮变薄，栅栏组织变薄，海绵组织不发达，维管束内单列导管数目和导管直径均明显增大[11]；同时，叶肉细胞内的叶绿体数量有所增加，在整个细胞中占比显著增大，淀粉粒含量增多，类囊体排列紧密，堆叠程度增高[9]。这些结构变化说明香果树有一定的耐阴能力。

从茎和根的结构看，香果树茎的初生和次生结构中的皮层、髓以及根的韧皮部中许多薄壁细胞具有明显的网状结构；在茎的初生构造中，皮层和髓中的生活薄壁细胞丰富；次生木质部为散孔材，导管为单穿孔，导管端壁略倾斜，木薄壁细胞稀少；在老根中，中央无髓[10]。

1.3 繁殖器官特征及传粉生物学研究

目前，对香果树繁殖生物学的研究较少，仅程喜梅[6]对河南新县联康山自然保护区的香果树生殖器官进行了比较全面的研究。该研究发现，香果树两性花雌、雄异位，花粉量较大，质量好，花粉异型，可育花粉为圆球形，不育花粉常具不规则圆饼状；雌蕊功能期比雄蕊晚，雌、雄蕊成熟重叠时间少，柱头活性受环境温度、光照和湿度的影响；香果树的繁育系统为兼性异交型；研究期间监测到来自13 科的17 种昆虫访花，香果树主要传粉昆虫有中华蜜蜂Apis c erana、熊蜂Bombus i gnites、黑弄蝶Daimio te thys和金毛长腹土蜂Campsomeris prismatica。由于香果树种群开花不同步、花期中雨季较长、比较缺少传粉者和雌蕊柱头易受干扰等原因，香果树的结实率非常低。

2 遗传多样性和亲缘地理研究

对香果树遗传多样性的研究有助于扩大对物种生存的认识，也有助于制定有效的长期保护策略。有学者利用随机扩增多态性（RAPD）分别对浙江省天台山和湖北神农架香果树自然居群的遗传多样性进行分析，结果发现两地的香果树种群内遗传多样性均较低[12,13]。在更广阔的尺度上，研究人员分别采用RAPD 技术和简单序列间重复（ISSR）标记技术分析来自浙江、福建、江西和湖北的9 个香果树居群的遗传多样性和遗传分化，结果都表明香果树在种水平具有较高的遗传多样性，而在居群水平的遗传多样性较低，居群间遗传变异程度高，居群间的基因交流频率很低[14-15]。这表明香果树种群的分化和隔离可能是特定进化历史和人类活动的结果。学者据此推断居群间基因流低于一般水平可能是香果树的濒危原因之一[12]。然而，Niu 等利用简单序列重复（SSR）标记对来自江西、福建、湖南和山西的6 个香果树居群的遗传多样性分析发现香果树自然种群具有高度的遗传多样性，遗传变异存在于群体内部，群体间存在频繁的基因交换，认为不同研究结果的差异可能与取样数量有关，但这些矛盾的结果本身也说明香果树的遗传多样性有待于进一步深入研究[16]。近年来，新的分子标记不断被开发，如微卫星标记、相关序列扩增多态性（SRAP）标记在香果树种群中都有较好的多态性[17-18]。这些高度多态性标记将促进香果树的进化和群体遗传学研究。另外，香果树的叶绿体基因组序列的测定更是为遗传多样性研究提供了重要的基础数据[19]。

在全国范围内取样，并利用多个分子标记同时开展遗传多样性研究可能是较好的方法。张永华的研究利用3 个叶绿体DNA 片段、核糖体DNA 的内转录间隔区序列以及扩增片段长度多态性（AFLPs）分子标记联合分析香果树分布区内38 个群体的遗传多样性、遗传结构以及谱系地理结构。该研究进一步确认了张文标等的研究结果，并认为香果树大致以长江流域为界分为两大谱系，即南部谱系和北部谱系。该研究分析了塑造香果树的空间遗传结构的因素，认为地理因素为主导因素，环境气候因子为重要因素，与温度相关的生物气候因子为近期遗传分化的重要因素[2,20]。

3 生态学特性研究

3.1 种群结构与更新动态研究

香果树种群结构与动态是目前国内在香果树濒危机制研究的重点领域。学者们通过分析各分布地的香果树种群径级结构、年龄结构和静态生命表等研究香果树种群的动态。大多数香果树种群结构属于衰退型，径级或年龄结构呈纺锤形甚至倒金字塔形，年龄结构不完整，呈现出中、大树占比较高，幼苗缺乏的特点[3,8,21–25]。调查发现经过强烈的环境筛选，大部分香果树幼苗生长高度未达到120 cm 即死亡[26]。因此，从种群长期发展来看，多地的香果树种群的实生幼苗在林下难以更新，仅在受到中度干扰的不稳定生境中，香果树种群表现出零星更新的模式[27]。纬度位置、岩石裸露度、郁闭度(或乔灌木盖度)、大气温湿度、群落内优势种群的生长状况和人为破坏程度等都是影响香果树幼苗存活和种群发展趋势的因素[25-26]。

香果树在自然条件下有萌蘖和种子繁殖两种方式[28]。研究发现，根萌苗群体的存活曲线明显不同于实生苗群体的存活曲线。因此，在研究种群结构和动态时应考虑根萌影响[28]。Ma 等通过野外对比调查发现，无根萌现象的香果树种群数量呈下降趋势，而依靠根萌和种子繁殖更新的香果树种群数量呈上升趋势[29]。张明月等调查发现，湖南八面山的香果树种群年龄结构呈金字塔形，为增长型种群[25]，这可能与该地香果树种群的根萌率较高有关。根萌更新延缓了斑块种群的灭绝时间[30]。

3.2 种子扩散与萌发研究

香果树的种子小，可以依靠风力扩散到有林窗形成或滑坡等的不稳定生境快速定居和建植[27]。郭连金等对香果树种子雨和土壤种子库的观测研究表明，香果树种群种子雨可持续近2 个月，尤其是11 月底至12 月中旬为种子雨高峰期；不同龄级香果树种子雨持续时间及其高峰期有所不同，种子雨强度存在极显著差异，但其所产的饱满种子的萌发率及幼苗存活率差异不显著；20～ 50 年生龄级香果树的种子饱满率、母树下土壤中的种子密度均显著低于其他龄级的；种子总密度、虫蛀种子密度、千粒质量以及饱满种子密度与母树所在海拔有关[31-32]。凋落的香果树种子70%以上集中于枯落物和苔藓层[32-33]。香果树土壤种子库为瞬时种子库，进入种子库的大约80%的香果树种子在其萌发前消失，剩余种子中大部分种子也发生霉烂，饱满种子密度很低，仅1.94 粒·m-2；野外育苗实验表明香果树种子的萌发率仅为16.93%，土壤层的种子发芽率显著高于苔藓和凋落物层，成苗后仅有3.86%的幼苗寿命超过5 个月[31,33]。在野外对自然萌发的实生苗的监测也发现，5 月份萌发的实生苗仅有6.18%能存活到当年11 月；不同微生境对香果树幼苗存活率产生显著影响，林窗是其最适宜微生境，枯落物及苔藓层的幼苗死亡率显著高于土壤表面的[31-33]。由此可见，种子发芽阶段是香果树自然更新的最重要限制阶段，土壤种子库的损耗是其种群自然更新困难的主要原因[32-33]。

香果树野外实生苗的长成率低受多种因素影响。有研究发现香果树种子的外种皮对其自身萌发具有较大的阻碍[34]，且香果树落叶和果皮的浸提液对其种子萌发和幼苗生长具有明显的化感抑制作用[35]。由于种子萌发的光敏特性和幼苗生长对光照的特殊要求（光照过强和过弱都不利于幼苗生长），林下苔藓和凋落物层对香果树种子萌发和幼苗生长具有很大的阻碍作用[32]。

3.3 根萌特性研究

当香果树的根受到机械损伤或根系裸露时，根部就会出现萌蘖[36]。研究显示，受损根系的根径越大，根萌数量越多；树龄越大，根萌能力越强；根系暴露度越高，根萌数量越多[36]。因此，不同地点的香果树种群的根萌率常存在显著差异[30]。但从根本上说，香果树根萌能力的差异与根中的激素浓度有关。细胞分裂素与生长素的高比率意味着香果树树桩具有更强的根萌能力[36]。在自然条件下，香果树根萌多发生于距母树树干2 m 以内及直径2 cm、长度30 cm 的露根上[37]。

郭连金等的研究显示，在树冠下、冠缘、林窗以及林缘空地4 种微生境中，根萌苗的苗高、基径、叶片数量等指标均优于实生苗的，且随着年龄的增加，两者差距增大，根萌苗比实生苗更适宜生存于阴暗环境[28]。他们在武夷山的研究发现根萌的苗高、基径和冠幅均随着其与母树树干间距离的增加而降低；在直径为6.5 cm 的露根上的根萌苗高和基径最大；树冠内的根萌苗的存活率显著高于树冠外的[37]。适度的人为干扰，改善林内光照条件，增加土壤有机质含量和砾石覆盖率有利于香果树根萌苗的生长[37]。

3.4 种群空间分布格局研究

香果树种群空间分布格局是另一个研究热点。在各地开展的香果树空间分布格局分析普遍都显示香果树种群的空间分布呈现聚集特征，尤其在幼苗、幼树阶段聚集强度较高；随着龄级上升，香果树的分布格局逐渐从聚集分布过渡到随机分布[21,24,26,38-39]。香果树的空间分布格局和研究的尺度大小有很大关系。在香果树和毛竹Phyllostachys edulis混交林中，香果树幼苗在小尺度上聚集，而在较大尺度上呈随机甚至均匀分布；而成年树则在小尺度上随机分布而在较大尺度上呈现聚集分布[40]。另外，香果树的空间格局与其所在群落的类型有关。有研究显示纯林中的香果树的聚集度强于阔叶杂木林和混交林中的[39]。

香果树种群的空间格局研究结果反映了两个重要生态学过程。首先，香果树的种子虽然带翅，但繁殖体扩散可能存在较严重的扩散限制，从而导致香果树种群（尤其是幼苗阶段）普遍存在聚集分布格局。充分印证了来自于遗传多样性和亲缘地理学分析关于香果树不同群体间遗传分化较大，居群水平的遗传多样性较低，基因流较小，扩散阻力较大的结论[2,12,14]。其次，香果树种群内个体间有较强的竞争或其他抑制作用。对浙江大盘山的香果树群落的竞争分析结果表明，香果树的种内竞争强于种间竞争，且随着径级的增大种内竞争逐渐增大[41]。强烈的种内竞争可能是香果树分布格局逐渐变得均匀的重要原因。今后的研究需要进一步加强对这两种内在机制的验证，以加深我们对香果树空间分布格局的理解和认识。

3.5 群落生态学特征研究

香果树在我国的分布相对较广，在次生林和原生林中都有香果树分布[30,42]。在其自然分布区，香果树可以形成纯林，也可以与其他树种共生组成混交林[3]。在群落生态学方面，调查发现香果树所在植物群落的物种多样性有低[8,22]，也有高[23,30,43]，即使在同一地区，香果树群落的优势种、物种多样性和群落所处的演替阶段也会表现出较大的差异[25]。这些研究为我们了解香果树的群落环境提供了重要信息。

3.6 生理生态学特性研究

3.6.1 种子的发芽生理 研究表明，以400 mg∙L-1赤霉素浸种可以提高香果树种子的呼吸速率，加快种子内部贮藏营养物质的分解[44]。在香果树种子萌发过程中，可溶性糖含量变化的趋势是先升后降，淀粉酶、过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）的表达也存在时间差异性[45–46]。刘国勇等发现，在香果树种子萌发过程中淀粉酶同工酶的主酶带颜色一直较深，在萌发中后期出现新的酶带；在萌发初期有新的超氧化物歧化酶同工酶合成；而进入萌发中期新合成的超氧化物歧化酶减弱或消失[45]。张帆等进一步研究发现，α-淀粉酶、β-淀粉酶的活性在种子萌发前一直呈上升的趋势，但在发芽发生后，α-淀粉酶的活性迅速大幅度上升，β-淀粉酶的活性反而缓慢下降[46]。

3.6.2 光合生理 多项研究结果都显示香果树的净光合速率日进程呈“双峰”形，在全光照条件下光合“午休”现象十分明显[9,11,47]。午间叶肉细胞自身活性下降是光合效率降低的主要原因[11,47]。各个生态因子对净光合速率都有重要的影响，光抑制发生的原因是强光和高温[47]。在高光强下，香果树幼苗的叶绿素含量、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和瞬时羧化效率都降低，电子传递速率、光化学猝灭系数和非光化学猝灭系数均处于最低水平，而测定初始荧光和最大荧光却处于最高水平[48-49]。这说明高光强对香果树幼苗生长极其不利。去除强光后，香果树幼苗的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、气孔限制值、胞间CO2浓度和蒸汽压亏缺或多或少都会恢复[11,49]。外源脱落酸预处理可以通过减轻叶绿素降解、改善瞬时羧化效率、促进光合系统II 反应中心修复、为光化学反应分配更多能量、维持电子传递活性，来减轻强光对香果树光合作用的不利影响，并促进其恢复[49]。轻度遮光（60%透光率）有利于香果树幼苗提高光合效率[9,11]。由于受到母树的遮荫，在母树树冠下或树冠边缘的香果树幼苗光合速率日变化呈单峰形[50]。虽然在低光强下叶绿素和类胡萝卜素含量增加，从而提高光的捕获能力，但有效辐射强度保持在自然光强的60%左右有利于香果树幼苗的生长和发育[9,11,48]。野外研究发现在林窗和母树冠缘生境中香果树实生苗的生理表现最好，其叶片蒸腾速率、气孔导度、水分利用效率和净光合速率均较高[50]。

3.6.3 逆境生理 在浙江大盘山自然保护区的研究发现，香果树的叶绿素含量随着海拔的上升而减小，而超氧化物歧化酶活性随着海拔的上升而增大，这主要是由于相对较强的光照以及干旱胁迫增强所致[51]。丙二醛（MDA）含量和质膜透性在海拔810～ 900 m 处达到最低水平，而脯氨酸、抗坏血酸含量、过氧化物酶活性和抗坏血酸过氧化物酶活性则在该海拔达到最高[51]。这说明中海拔（810～ 900 m）最适合香果树的生长。另外，研究发现在遮荫条件下丙二醛含量变化较为缓和，过氧化物酶和超氧化物歧化酶活性呈现先升后降的变化，但遮荫条件下的丙二醛含量始终小于全光照条件下的，可溶性糖含量也呈现类似的变化趋势[9]。

4 繁育技术研究

4.1 实生苗繁育

生物保护工作者很早就开展了对香果树的播种育苗研究，已经建立了比较完善的播种育苗技术体系[52]。研究表明香果树种子存在胚的后熟作用，4～ 5℃低温湿沙贮藏有助于提高种子的萌发力[53-54]。在浙江磐安，秋播的香果树种子发芽率和幼苗生长势均比春播的好[55]。还有研究表明在525 nm 波长灯光照射下的香果树种子萌发率显著高于其他处理组及自然光对照组的香果树种子萌发率[56]。在2 200 lx 左右光强下，刚萌发的香果树幼苗生长迅速，其根径和株高一直维持在最高水平[55]。

4.2 扦插育苗

扦插育苗具有诸多优点。从解剖学上看，香果树的营养器官富含薄壁细胞有利于扦插育苗[10]。对于香果树扦插育苗技术，国内已有相关论文做了详细的总结[57]，本文不作赘述。国外有关香果树扦插繁殖的报道显示，在7 月底至8 月初采集半木质化的枝条作为插穗，用3 × 10-3g∙g-1或5 × 10-3g∙g-1K-IBA（3-吲哚丁酸钾盐）水溶液浸泡10 s 后进行扦插获得了较好的生根效果（21%～ 71%的生根率）[58]。其技术关键是要让插条在生根容器中不受干扰，并将其放置在温室中加热至1℃，温室湿度保持在85%左右，直到第二年春天。从国内外的实践结果来看，香果树扦插繁殖的苗木成活率仍有待提高[58-59]。

4.3 组织培养

组织培养是研究较多的香果树繁育技术手段。已有的研究表明，带芽茎段、叶片、叶柄、根和种胚都可以诱导出愈伤组织，建立高频再生体系[60-62]。姬飞腾等报道了叶片诱导出愈伤组织后形成体细胞胚胎再形成正常植株的技术[63]。而宿静等认为叶片诱导出的不定芽是不经过愈伤组织阶段直接形成的，可能是由芽原基直接分化而来的[64]。对种胚的组织培养研究表明，低浓度的吲哚丁酸有助于成熟胚的萌发，而激素对香果树不定芽的诱导作用显著[61]。另外，无根试管苗技术试验表明，用20 mg∙L-1ABT 生根粉处理香果树无根苗10 min，无根苗在试管外的扦插成活率可达84%[65]。

5 香果树保护生物学研究存在的主要问题和展望

5.1 涵盖的生活史阶段不全面

就生活史阶段来说，先前的研究主要集中在对香果树种子和幼苗阶段，对香果树生长发育节律和物候的研究数量远远不足。虽然已经有研究开展了对香果树生殖器官特征以及传粉生物学的研究[4-7]，但有关香果树花芽分化、雌雄配子体发育和胚胎发育过程的研究几乎空白。我们需要从生理学、细胞学和解剖学的角度深入研究野外的香果树大树开花比例低、花和果败育和结实率低的原因[8]。另外，今后的研究也应该通过长期监测更多地关注小树至大树阶段香果树生长率、死亡率等参数与环境的关系。

5.2 种间互作研究匮乏

目前，有关香果树的研究主要针对香果树个体或种群，针对香果树群落的研究仍较少。关于香果树与其他植物的竞争、与动物（尤其是昆虫）和微生物的互作如何影响香果树在群落中的生存和繁衍的研究仍十分匮乏。例如，已有研究显示香果树种子进入土壤种子库后会遭受巨大损失[32]。动物和微生物在此过程中起着什么样的作用？在香果树种子和幼苗阶段，是否存在严重的密度制约作用[66]？再比如，调查显示香果树所在的群落的优势种、物种多样性和群落所处的演替阶段会有很大差异，但是我们对于群落中的优势种如何与香果树互作、群落物种多样性对香果树的生长和繁殖到底有什么影响等关键问题仍然知之甚少。

5.3 缺少长期系统的监测研究

现有的研究普遍存在取样面积较小（尤其是群落和种群研究，大多数样地的面积只有20 m×20 m）、观测研究时间短的问题，缺少完整而系统的研究。因为缺少长期的监测研究，很多结论来自于空间替代时间的研究方法，如利用静态生命表来计算香果树各生活史阶段的补员率（即新到达该阶段的个体数量与该阶段原总个体数量之比）和死亡率[8,21-24,28]，通过分析不同径级的香果树的格局差异推断造成香果树空间格局变化的原因[26,38-39]。另外，现有的研究普遍缺少综合性研究手段，没有将土壤学、分子遗传学、生理学、植物化学、群落学、微生物学等技术方法整合起来研究香果树的濒危机制。

自20 世纪80 年代以来，在世界各地建成的大型固定样地已经成为目前国内外森林生物多样性科学综合研究的平台[67]。森林大样地能将森林植物的空间分布信息和时间动态信息很好地整合起来，结合其他的生态学、遗传学、生物学、土壤学的研究手段，能够回答很多以往研究无法回答的科学问题，如物种空间分布格局及其形成机制、森林生物多样性的动态变化等[68]。如将该技术体系综合应用于香果树的监测和濒危机制的研究必将极大地促进我们对该珍稀濒危物种的了解和保护。

5.4 展望

综上所述，前人已经从多个方面对香果树作了广泛的研究，推断其可能的濒危机制，提出了很多行之有效的迁地和就地保护措施[2-3,6,8,61]。这些措施极大地保护了香果树种群的生存和繁衍。在今后的研究中，我们需要利用综合技术手段，长期监测各地（尤其是不在自然保护地范围内的）的香果树种群动态，进一步通过多学科交叉深入研究香果树的濒危机制，以便更好地保护香果树。