閆滿玉 姚 松 白兵勇

摘要： ?親緣關系相近的物種在形態(tài)特征等方面具有更多的相似性，譜系信號分析對生態(tài)位保守、物種共存機制方面的研究具有重要意義。本文選用可計算雙變量性狀的D值法和EM-mantel方法，計算寶天曼保護區(qū)內省級重點保護被子植物不同生活型的譜系信號。結果顯示：喬木型具有強烈的譜系信號，灌木和草本型兩種方法的計算結果具有一定的差異;分析表明：喬木型的主要致危機制是生境過濾，而灌木和草本型的主要致危機制為人為干擾;最后，對保護區(qū)植物保護工作提出建議。

關鍵詞： ?保護植物; ?譜系信號; ?物種共存; ?寶天曼自然保護區(qū)

中圖分類號： ? S 759. 9 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： ? A ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1001 - 9499（2020）02 - 0026 - 06

物種在生物學和其他統(tǒng)計單元（statistic units）上都不是獨立的，而是具有相似的進化歷史[ 1 ]。親緣關系近的物種，在形態(tài)特征、生理性狀、行為特征等方面具有更多的相似性[ 2 ]。譜系信息主要反映生物進化過程中的分化時間差異，同樣的分化時間，相近的物種具有較近的親緣關系，分化時間相異的物種親緣關系較遠[ 3 ]。研究表明，物種滅絕不是隨機的，而是在分類學和譜系學上呈現出一定的聚集效應，親緣關系近的物種滅絕風險相似[ 4 - 5 ]。

研究物種間譜系和性狀間的關系（也就是譜系信號 Phylogenetic Signal）對認識譜系生態(tài)位保守具有重要意義[ 6 - 8 ]，有助于提高群落物種共存機制方面的認識[ 9 - 11 ]。近年來有關譜系信號檢驗的研究層出不窮[ 12 - 15 ]，截至到目前，主要有以下5種方法：1）Pagel，s λ法，利用布朗進化模型檢驗譜系信號的早期方法[ 16 ];2）K值法，是以布朗運動為進化模型的系統(tǒng)發(fā)育信號的檢驗方法，目前該方法最為常用，但僅能分析連續(xù)變量性狀[ 17 ];3） PVR法，該方法利用特征向量進行譜系信號檢驗，能較好的解釋布郎運動模型在進化速率方面的偏差[ 18 ];4） D值法，該方法最先應用在動物雙變量性狀譜系信號檢測，但一次僅能處理一個性狀[ 19 ];5）EM-mantel檢驗法，結合進化模型的mantel檢驗法，可以處理多種性狀類型[ 1 ]。前3種方法在以往的研究中使用較多，但是僅僅適用于連續(xù)變量性狀，并且一次僅能計算一個性狀。鑒于上述因素限制，Fritz和Purvis于2010年提出了一種可以計算雙變量和連續(xù)變量性狀的譜系信號方法，該方法廣泛應用在生態(tài)學和動物學領域[ 20 - 21 ]，但是D值法同樣存在一次僅能計算一個性狀的劣勢。最近Vanderlei和 Leandro提出了一種結合進化模型的譜系信號矩陣相關檢驗方法（EM-mantel test），該方法不僅能夠處理連續(xù)型變量性狀，還能夠計算雙變量型性狀，同時還具備一次分析多個性狀的優(yōu)勢[ 1 ]。

寶天曼自然保護區(qū)地處暖溫帶和北亞熱帶交匯區(qū)，野生動植物資源豐富，具有重要的經濟、社會和科研價值[ 22 - 23 ]。以往該區(qū)的珍稀瀕危植物的研究主要關注物種科屬分布、區(qū)系組分、生態(tài)分布、生長特點、生活型[ 23 - 25 ];與相鄰保護區(qū)的對比研究分析[ 26 ]、保育恢復措施[ 27 ]等，尚未有從進化的角度進行深層次的研究探討。因此，本研究結合2005年河南省人民政府頒布的《河南省重點保護植物名錄》[ 28 ]和本區(qū)已有研究結果[ 21 ， 29 - 30 ]，比對篩選得到寶天曼保護區(qū)省級重點保護被子植物名錄，利用Phylomatic軟件[ 31 ]建立帶有支長的譜系樹;以植物生活型為檢驗性狀（雙變量性狀），選用能夠計算雙變量性狀譜系信號的D值法和EM-mantel法，檢驗不同生活型的省級重點保護植物是否存在譜系信號及強度;探討珍稀瀕危植物可能存在的維持機制，為保護區(qū)今后開展重點保護植物保育工作提供科學依據。

1 方 法

1. 1 研究區(qū)概況

寶天曼國家級自然保護區(qū)（33.34°～33.60°N，111.78°～112.06° E）位于河南省西南部內鄉(xiāng)縣境內，山勢呈東南——西北走向，總面積5 412 hm2，最高峰海拔1 830 m。保護區(qū)地處南暖溫帶向北亞熱帶過渡區(qū)域，是我國同緯度中森林生態(tài)系統(tǒng)保存較為完整、物種最豐富的地區(qū)之一。該區(qū)屬大陸性季風氣候，四季分明，年均溫度15.2 ℃，年降雨量885.6 mm，年蒸發(fā)量991.6 mm，相對濕度68%，極端最高溫41.2 ℃，極端最低溫-14.8℃。植被區(qū)劃屬于暖溫帶落葉闊葉林地帶，垂直分布比較明顯[ 22 ， 32 ]。寶天曼古老的地質和復雜的地形，為植物的生存繁衍提供了得天獨厚的環(huán)境條件，共有種子植物150科783屬2 147種（含種以下等級）[ 23 ]。

1. 2 譜系樹構建

首先根據2005年河南省人民政府頒布的《河南省重點保護植物名錄》[ 28 ]、省級重點保護植物名校正[ 23 ]和本保護區(qū)相關研究 [ 29 - 30 ]，比對篩選得到寶天曼保護區(qū)省級重點保護被子植物64種;其次利用被子植物分類系統(tǒng)III（APG III）[ 33 ]校正物種的科屬信息;最后，將物種學名以及相關科屬信息輸入到網頁版Phylomatic V3軟件[ 31 ]，利用其數據庫zanne2014構建帶有分支長度的譜系樹（圖1）。

1. 3 譜系信號檢測

本研究生活型性狀數據屬性為雙變量（用1和0表示，1表示具有某種性狀，0表示無此種性狀），綜合考量上述5種譜系信號檢測方法，選用能夠計算雙變量性狀譜系信號的D值法和EM-mantel法。

1. 3. 1 D 值法

D值法是通過比較譜系樹所有姊妹分支差異之和的大小來反映是否存在譜系信號及其強度，性狀聚集的姊妹分支差異之和較小，性狀隨機的姊妹分支的差異之和較大。公式為：

其中dobs為姊妹分支長度的真實差異，db是模擬布朗運動[ 19 ， 34 ]情況下的姊妹分支長度的差異，dr表示模擬隨機情況下的姊妹分支長度的差異。如果D=1，說明性狀隨機分布，沒有譜系信號;如果D=0，說明性狀聚集，具有譜系信號;如果D<0，說明性狀高度聚集，譜系信號強烈。

1. 3. 2 EM-mantel 方法

傳統(tǒng)上多性狀譜系信號檢測廣泛采用矩陣相關性檢驗（mantel test）[ 7 ， 35 - 36 ]，但矩陣相關性檢驗的零假設是兩矩陣間差異為零，而物種卻有相似的進化歷程[ 1 ]，因此該方法存在解釋率較低和Ⅰ類錯誤（TypeⅠerror）率較高的弊端[ 37 ]。結合進化模型的矩陣相關性檢驗（EM-mantel test）之所以能夠解決傳統(tǒng)方法存在的諸多問題，是由于EM-mantel方法的零假設是在某一特定的進化模型下，譜系距離矩陣和性狀相似性矩陣兩者間不存在差異。布朗運動模型在解釋性狀進化、內稟性狀值等方面不存在其他假設機制[ 1 ]，同時D方法選用布朗進化模型，為便于兩種方法間的比較分析，EM- ?mantel法選用布朗進化模型。

EM-mamtel法首先根據布朗進化模型生成模擬矩陣，其次利用傳統(tǒng)矩陣相關性檢驗方法分析布朗進化模型矩陣和真實矩陣間是否存在差異，最后根據p值確定是否有譜系信號及其強度。計算步驟簡述如下：1）以譜系樹數據為依據生成布朗進化模型下的性狀值（用1和0表示，1表示具有某種性狀，0表示無此種性狀）;2）根據譜系樹支長數據模擬性狀分布;3）利用傳統(tǒng)矩陣相關性檢驗方法計算真實矩陣和模擬矩陣兩者的差異;4）重復上述計算多次，最后得到雙尾型p值。該方法的詳細介紹見Vanderlei和 Leandro的文章[ 1 ]。

本研究所有計算均由R 3.4.0軟件（https：//cran.r-pro-ject.org/）實現，其中物種APG III分類系統(tǒng)科屬校正使用plantlist軟件包，D值法使用caper軟件包，EM-mantel法使用EM.mantel函數 [ 1 ]，兩種方法均模擬999次。

2 結 果

2. 1 寶天曼保護區(qū)省級重點保護被子植物名錄

通過比較篩選該區(qū)省級重點保護被子植物共64種（表1）。其中，喬木34種，占53.13%，如杈葉槭（Acer ?robustum ）、米心水青岡（Fagus ?engleriana）、紫莖（Stewartia sinensis）等;灌木9種，占14.06%，如蝟實（Kolkwitzia ?amabilis）、河南杜鵑（Rhododendron ?henanense）、玉鈴花（Styrax ?obassis）等;草本20種，占33.33%，如多花蘭（Cymbidium ?floribundum）、絞股藍（Gynostemma ?pentaphyllum）、延齡草（Trillium ?tschonoskii）等;藤本僅黑蕊獼猴桃（Actinidia ?melanandra）1種?？茖匐`屬關系，蘭科10種，占15.63%;樟科8種占12.50%;毛茛科和槭樹科各4種，各占6.25%;其他22科共占65.62%。區(qū)系組成分析，北溫帶分布19種，占29.69%;東亞——北美洲際間斷分布和中國特有分布均為7種，共占21.08%;熱帶亞洲類型分布共18種，共占27.54%;其他4種類型共13種，共占21.69%。

2. 2 省級重點保護被子植物不同生活型譜系信號分析

區(qū)內省級重點保護藤本植物僅黑蕊獼猴桃1種，無法計算此生活型的譜系信號，故本研究僅選取喬木、灌木和草本3種生活型（表2）。由此可知：兩種方法的計算結果存在一定差異： D值法3種生活型（喬木、灌木和草本）均譜系信號顯著，其D值分別為-1.07、-0.22和-1.34;而EM-mantel法僅喬木類型譜系信號顯著（p=0.001），其他兩種生活型譜系信號不顯著。

3 分析與討論

3. 1 兩種方法計算結果差異分析

本研究選取能夠計算雙變量性狀譜系信號的兩種方法，計算結果顯示灌木和草本兩種生活型存在差異：D值法計算結果顯示兩種生活型譜系信號均顯著，而EM-mantel法結果顯示譜系信號不顯著。Hardy 和Pavoine研究表明，Mantel檢驗結果與物種的功能性狀矩陣和譜系距離矩陣相關[ 38 ]，本研究中草本共20種隸屬9科17屬，其中50%為蘭科植物，而喬木生活型共34種隸屬15科26屬，樟科占比最高（僅占23.53%），因此兩者性狀矩陣的差異導致EM-mantle法計算結果不顯著。另外，本研究為方便比較分析，EM-mantel法選用布朗運進化模型，然而該方法尚有其他復雜模型，如Ornstein Uhlenbeck 模型[ 39 ]、Burst模型[ 40 ]等，模型選擇差異可能對計算結果產生一定的影響。此外，物種庫太大或太小均可影響生態(tài)過程的解釋能力，譜系分析中物種占區(qū)域物種庫30%～60%均在可接受范圍[ 43 ]，本研究中灌木僅有9種（占物種庫14.06%），也可能對譜系分析結果造成一定的影響。

3. 2 省級重點保護植物致危機制探討

物種固然有自然消亡的現象，自然選擇的結果使地球上眾多物種淘汰，但是這種消亡過程是極其緩慢的。本研究區(qū)珍稀瀕危植物數量稀少，分布區(qū)域狹窄，一些種類正處于瀕危狀態(tài)，究其原因有歷史、人為和植物自身等多方面原因[ 23 ]。古植物學研究表明，我國有過多次植物群的南北進退，特別是在第四紀冰川襲擊，而本區(qū)正處于遷移的中間地帶[ 22 ]，一些珍稀植物在局部優(yōu)越的生境下得以生存和繁衍。本區(qū)重點保護植物主要分布于封閉山谷，避風坡林地、溝壑雜木林及其林下、灌叢和林緣山坡等，除水曲柳、領春木、青檀和金錢槭等種類有散生小片群落分布外，絕大部分為零星植株分布，如銀鵲樹16株、水青樹和天竺桂等不超過10株[ 22 ]。因此生境過濾是喬木生活型省級重點保護植物的主要維持機制。

本研究中，喬木生活型在兩種方法下均表現出強烈的譜系信號，這也證明了如果呈現出強烈的譜系聚集格局，那么性狀在決定物種滅絕風險之中就起著直接或間接的作用，也就是說生境過濾是其主要維持機制這一研究結論的正確性。絕大部分灌木和草本為傳統(tǒng)藥用或觀賞植物，比如紫斑牡丹、延齡草、大葉三七、天麻等，另外草本類型中僅蘭科占15.63%，因此人為干擾因素占主要作用。同時EM-mantle法的計算結果顯示，這兩種生活型譜系信號不顯著，因此人為因素干擾是灌木和草本生活型重點保護植物的主要致危因子。研究結果也在一定層面上證實了：如果譜系呈現隨機的分布格局，那么性狀不是導致物種滅絕的限制因子，也就是說生態(tài)位理論為其主要維持機制的正確性。

綜上，本區(qū)喬木生活型重點保護植物的主要致危因子為生境過濾，而灌木和草本生活型的主要致危因子是人為干擾。

3. 3 寶天曼保護區(qū)重點保護植物保護措施

自然生態(tài)環(huán)境是植物生存繁衍的基礎，特定的生態(tài)環(huán)境和植物之間構成了相互依存的群落關系，一旦立地生境遭到破壞，重點保護植物將面臨滅頂之災。為了更好地保護和發(fā)展本區(qū)重點保護植物資源，根據該研究分析結果和以往研究[ 26 ]，提出針對不同生活型采取分類保護的措施，即對森林生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢種——喬木型重點保護植物，應該重點保護其立地生境。對灌木和草本型植物來說，人為因素干擾是其重要致危因子，其保護措施應重點著眼于減少人為干擾。

參考文獻

[1] Debastiani V J， da Silva Duarte L. Evolutionary models and phylogenetic signal assessment via Mantel test[J]. Evolutionary Biology， 2017， 44（1）： 135 - 143.

[2] Harvey P H， Pagel M D. The comparative method in evolutionary biology[M]. Oxford： Oxford university press， 1991.

[3] Webb C O， Losos J B， Agrawal A A. Integrating phylogenies into community ecology[J]. Ecology， 2006， 87（sp7）.

[4] Purvis A. Phylogenetic approaches to the study of extinction [J]. Annual Review of Ecology， Evolution， and Systematics， 2008， 39.

[5] Roy K， Hunt G， Jablonski D. Phylogenetic conservatism of extinctions in marine bivalves[J]. Science， 2009， 325（5941）： 733 - 737.

[6] Wiens J J， Graham C H. Niche conservatism： integrating evolution， ecology， and conservation biology[J]. Annu. Rev. Ecol. Evol. Syst.， 2005， 36： 519 - 539.

[7] Losos J B. Phylogenetic niche conservatism， phylogenetic signal and the relationship between phylogenetic relatedness and ecological similarity among species[J]. Ecology letters， 2008， 11（10）： 995 - 1 003.

[8] Cooper N， Jetz W， Freckleton R P. Phylogenetic comparativeapproaches for studying nicheconservatism[J]. Journal of evolutionary biology， 2010， 23（12）： 2 529 - 2 539.

[9] Webb C O， Ackerly D D， McPeek M A， et al. Phylogenies and community ecology[J]. Annual review of ecology and systematics， 2002， 33（1）： 475 - 505.

[10] Mouquet N， Devictor V， Meynard C N， et al. Ecophylogenetics：advances and perspectives[J]. Biological reviews， 2012， 87（4）： 769 - 785.

[11] Gerhold P， Cahill J F， Winter M， et al. Phylogenetic patterns are not proxies of community assembly mechanisms （they are far better）[J]. Functional Ecology， 2015， 29（5）： 600 - 614.

[12] Gilbert G S， Webb C O. Phylogenetic signal in plant pathogen- host range[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2007， 104（12）： 4 979 - 4 983.

[13] Ackerly D. Conservatism and diversification of plant functional traits： evolutionary rates versus phylogenetic signal[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2009， 106（Supplement 2）： 19 699 - 19 706.

[14] Rafferty N E， Nabity P D. A global test for phylogenetic signal in shifts in flowering time under climate change[J]. Journal of Ecology， 2017， 105（3）： 627 - 633.

[15] Frishkoff L O， Valpine P， M'Gonigle L K. Phylogenetic occupancy models integrate imperfect detection and phylogenetic signal to analyze community structure[J]. Ecology， 2017， 98（1）： 198 - 210.

[16] Pagel M. Inferring the historical patterns of biological evolution[J]. Nature， 1999， 401（6756）： 877.

[17] Blomberg S P， Garland Jr T， Ives A R. Testing for phylogenetic signal in comparative data： behavioral traits are more labile[J]. Evolution， 2003， 57（4）： 717 - 745.

[18] DinizFilho F， Alexandre J， Rangel T F， et al. Exploring patterns of interspecific variation in quantitative traits using sequential phylogenetic eigenvector regressions[J]. Evolution， 2012， 66（4）： 1 079 - 1 090.

[19] Fritz S A， Purvis A. Selectivity in mammalian extinction risk and threat types： a new measure of phylogenetic signal strength in binary traits[J]. Conservation Biology， 2010， 24（4）： 1 042 - 1 051.

[20] Díaz S， Purvis A， Cornelissen J H C， et al. Functional traits， the phylogeny of function， and ecosystem service vulnerability[J]. Ecology and evolution， 2013， 3（9）： 2 958 - 2 975.

[21] Jetz W， Thomas G H， Joy J B， et al. Global distribution and conservation of evolutionary distinctness in birds[J]. Current Biology， 2014， 24（9）： 919 - 930.

[22] 宋朝樞. ?寶天曼自然保護區(qū)科學考察集[J]. ?北京： 中國林業(yè)出版社， 1994， 1（996）： 2.

[23] 朱從波， ?王萬里， ?劉曉靜， ?等. ?寶天曼自然保護區(qū)珍稀瀕危植物研究[J]. ?安徽農業(yè)科學， ?2011a， 39（16）： ?9 467 - 9 470.

[24] 盧炯林， ?王磐基， ?王正用. ?河南省寶天曼自然保護區(qū)珍稀瀕危植物資源的初步研究[J]. ?河南大學學報 （自然科學版），1988， ?3： ?35 - 41.

[25] 王磐基， ?楊永芳， ?胡彧. ?河南伏牛山區(qū)植物多樣性及保護研究[J]. ?面向 21 世紀的中國生物多樣性保護——第三屆全國生物多樣性保護與持續(xù)利用研討會論文集， ?1998， 198 - 207.

[26] 朱從波， ?李丹丹， ?劉曉靜， ?等. ?河南省 5 個自然保護區(qū)珍稀瀕危植物的比較研究[J]. ?福建林業(yè)科技， ?2011b， ?38（3）： ?127 - 130.

[27] 董云嵐， ?李愛琴， ?丁向陽， ?等. ?寶天曼自然保護區(qū)生物資源及保護利用[J]. ?河南科學， ?2002， ?20（1）： ?61 - 65.

[28] 河南省林業(yè)廳. ?河南省重點保護植物名錄[R]. ?鄭州： ?河南省人民政府， ?2005.

[29] 王文靜， ?宋曉潔. ?寶天曼自然保護區(qū)珍稀瀕危植物的概況及區(qū)系分析[J]. ?河南師范大學學報 （自然科學版）， ?2001， ?29（2）： ?115 - 117.

[30] 孫偉娟， ?梅光朋， ?李家美. ?河南省重點保護植物名錄修訂[J]. 河南農業(yè)大學學報， ?2011， ?45（3）： ?358 - 361.

[31] Webb C O， Donoghue M J. Phylomatic： tree assembly forapplied phylogenetics[J]. Molecular Ecology Resources， 2005， 5（1）： 181 - 183.

[32] 閆滿玉， ?杜曉軍， ?趙愛花， ?等. ?河南寶天曼落葉闊葉林木本植物單物種-面積關系[J]. ?生物多樣性， ?2015， ?23（5）： 630 - 640.

[33] Angiosperm Phylogeny Group. An update of the Angiosperm Phylogeny Group classification for the orders and families of flowering plants： APG III[J]. Botanical Journal of the Linnean Society， 2009， 161（2）： 105 - 121.

[34] Ackerly， David. "Conservatism and diversification of plantfunctional traits： evolutionary rates versus phylogenetic signal. "Proceedings of the National Academy of Sciences 106.Supplement 2 （2009）： 19 699 - 19 706.

[35] Mantel N. The detection of disease clustering and a generalized regression approach[J]. Cancer research， 1967， 27（2 Part 1）： 209 - 220.

[36] Pillar V D， Duarte L S. A framework for metacommunity ?analysis of phylogenetic structure[J]. Ecology letters， 2010， 13（5）： 587 - 596.

[37] Legendre P， FORTIN M J. Comparison of the Mantel test andalternative approaches for detecting complex multivariate relationships in the spatial analysis of genetic data[J]. Molecular ecology resources， 2010， 10（5）： 831 - 844.

[38] Hardy O J， Pavoine S. Assessing phylogenetic signal withmeasurement error： a comparison of mantel tests， blomberg et al.'sk， and phylogenetic distograms[J]. Evolution， 2012， 66（8）： 2 614 - 2 621.

[39] Hansen T F. Stabilizing selection and the comparative analysis of adaptation[J]. Evolution， 1997， 51（5）： 1 341 - 1 351.

[40] Harmon L J， Glor R E. Poor statistical performance of the Mantel test in phylogenetic comparative analyses[J]. Evolution， 2010， 64（7）： 2 173 - 2 178.

[41] Kraft N J B， Cornwell W K， Webb C O， et al. Trait evolution， community assembly， and the phylogenetic structure of ecological communities[J]. The American Naturalist， 2007， 170（2）： 271 - 283.

第1作者簡介： ?閆滿玉（1988-）， ?男， ?碩士， ?研究方向為植被生態(tài)學。

通訊作者： ?齊 光（1983-）， ?男， ?博士， ?副教授， ?研究方向為植被生態(tài)學。

收稿日期： 2020 - 01 - 20

（責任編輯： ? 李 丹）

Abstract Species closely related to be more similar to each other than to more distantly related ones， the calculation of phylogenetic signal play a important role in phylogenetic conservatism and species assembly patterns. Based on D and EM-mantel that could estimate phylogenetic signal for binary traits， we estimated the phylogenetic signal of the key preserved angiosperm's different life forms in Baotianman Nature Reserve， Henan Province. Our results showed that the arbor has significant phylogenetic signal（p=0.001）， while the values of shrub and herbaceous were very different in terms of D and EM-mantle. Our results supported the extinction risk of arbor was dominated by habitat filtering， and those of shrub and herbaceous were human disturbance.

Key words Endangered plants; ?Phylogenetic signal; ?Species coexistence; ?Baotianman Nature Reserve （BNR）