覃元藝，陳 曦,2,3

(1.云南大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650091；2.云南大學(xué) 云南省植物繁殖適應(yīng)與進(jìn)化生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650091;3.云南大學(xué) 云南省高原山地生態(tài)與退化環(huán)境修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650091)

殼斗科(Fagaceae)包括12個(gè)屬 1 000 余種，是北半球熱帶、亞熱帶及溫帶森林的主要建群樹種，也是最重要的木本植物大科之一[1-2].石櫟屬(LithocarpusBlume)是殼斗科內(nèi)物種多樣性極為豐富的重要大屬，其320多個(gè)種廣布于東亞、東南亞及喜馬拉雅南麓中低海拔河谷[1-4].我國(guó)和東南亞是石櫟植物多樣性的2個(gè)重要分布中心.石櫟不僅是熱帶亞熱帶常綠闊葉林林冠層的主要樹種和建群種[5-7]，其種子也是這些地區(qū)眾多動(dòng)物類群的食物和營(yíng)養(yǎng)來源[7-10].因此石櫟對(duì)維持這些森林系統(tǒng)的碳匯平衡和生態(tài)多樣性起著重要作用.

對(duì)比同科的櫟屬(QuercusL.)，石櫟屬獲得的研究關(guān)注相對(duì)較少.這首先是因?yàn)闄祵僦参镌诒卑肭驈V泛分布，而很多西方研究者并不熟悉分布于東亞的石櫟.另外，櫟屬植物是重要的經(jīng)濟(jì)樹種，而此前石櫟屬植物由于木質(zhì)較差被認(rèn)為經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高.但最近幾十年來，石櫟屬植物的經(jīng)濟(jì)開發(fā)價(jià)值受到關(guān)注，如食用[11-12]、藥用[13-18]、造林綠化[19-23]等多個(gè)方面.可見，除了具有重要生態(tài)價(jià)值之外，石櫟也兼顧多項(xiàng)潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值.在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)下，人們開始從自然種群中采集和移栽石櫟物種，但這種缺乏科學(xué)管理的采集造成了石櫟種群的過度開發(fā)和森林群落生物多樣性的喪失，并在未來可能帶來生物入侵和污染問題，甚至影響全球氣候變化[6, 24-26].

因此，為石櫟資源的科學(xué)合理開發(fā)提供理論依據(jù)，必須首先深化石櫟的基礎(chǔ)研究.在眾多方向的基礎(chǔ)研究之中，以石櫟果實(shí)形態(tài)和類型為主線拓展出的研究極具特色.由于石櫟物種果實(shí)形態(tài)變異豐富(見圖1)，圖中黑色直線代表 1 cm 長(zhǎng)度.因部分石櫟物種在果實(shí)成熟時(shí)殼斗與果實(shí)分離,因此殼斗結(jié)構(gòu)缺失,未能標(biāo)注.因此其果實(shí)形態(tài)學(xué)成為理解其物種多樣性和進(jìn)化的關(guān)鍵.通過將石櫟的果實(shí)形態(tài)和果實(shí)類型研究與植物生理、形態(tài)發(fā)育、生物地理、種子散播和物種更新以及分子系統(tǒng)發(fā)育等方面貫通融合，得以對(duì)石櫟的分布、物種進(jìn)化和共存、物種和形態(tài)多樣性、物化特性與生活史對(duì)策等一系列問題有了初步的理解.因此本文歸納了最新的石櫟屬植物的果實(shí)形態(tài)多樣性與物種分化研究，探討了石櫟果實(shí)形態(tài)和類型與其分布、物種多樣性、物種更新和分子系統(tǒng)發(fā)育之間的重要聯(lián)系和科學(xué)意義.同時(shí)探討石櫟研究過程中存在的問題與重要的研究空白，對(duì)未來石櫟基礎(chǔ)研究方向提出建議.

圖1 6個(gè)石櫟物種果實(shí)的縱截面形態(tài)結(jié)構(gòu)

1 石櫟果實(shí)形態(tài)多樣性與物種分化研究

1.1 石櫟屬2種主要果實(shí)類型的形態(tài)和物化權(quán)衡

由于石櫟物種的無性結(jié)構(gòu)(如枝、葉等)分化不明顯[28]，因此形態(tài)變異豐富的果實(shí)和殼斗被作為物種鑒定的重要證據(jù)廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)分類學(xué)中[29-31].石櫟物種單個(gè)的堅(jiān)果果實(shí)被杯狀殼斗結(jié)構(gòu)所包被[32](見圖1b、1f).殼斗是殼斗科植物的重要特征，是無性枝融合后形成的扁平狀或碗狀結(jié)構(gòu)[33].殼斗內(nèi)是單個(gè)的石櫟堅(jiān)果，其果殼由果皮和花托組成[27](見圖1).

早在20世紀(jì)中期，法國(guó)科學(xué)家Camus就注意到石櫟物種的果實(shí)形態(tài)變異顯著(圖1).2001年，Cannon和Manos首次嘗試分析石櫟果實(shí)的形態(tài)多樣性，用elliptic fourier analysis (EFA)量化21種熱帶石櫟物種果實(shí)的花托和果皮形態(tài)差異，發(fā)現(xiàn)這21個(gè)物種的果實(shí)形態(tài)分化可以被歸納為2種果實(shí)類型：橡實(shí)(acorn fruit，后簡(jiǎn)稱AC)和花托包被實(shí)(enclosed receptacle fruit，后簡(jiǎn)稱ER)[28](圖2).圖中黑色直線代表 1 cm 長(zhǎng)度.橡實(shí)(AC)與櫟屬植物果實(shí)(俗稱麻栗果)形態(tài)十分類似，單薄的果皮是包被其種子的主要結(jié)構(gòu)，花托存在于種子基部，通常為扁平凹形(圖2a、2c)；而花托包被實(shí)(ER)的果皮急劇縮短僅覆蓋于種子頂部，花托卻急劇延伸加厚成為包裹種子的主要結(jié)構(gòu)(圖2d、2f).這項(xiàng)研究為石櫟的果實(shí)形態(tài)和果實(shí)類型研究奠定了重要基礎(chǔ)，但其局限性體現(xiàn)在(1)僅包括熱帶的21個(gè)石櫟物種，缺乏對(duì)亞熱帶石櫟和豐富石櫟物種多樣性(320多個(gè)種)的代表；(2)該研究通過肉眼判斷物種果實(shí)類型的方法缺乏數(shù)據(jù)支撐.

圖2 形態(tài)學(xué)研究對(duì)橡實(shí)(AC)(Lithocarpus kawakamii,a～c)和花托包被實(shí)(ER)(L. corneus,d～f)的果實(shí)結(jié)構(gòu)理解的變化發(fā)展

為更好地體現(xiàn)石櫟屬層面的果實(shí)形態(tài)分化，陳曦等針對(duì)廣泛分布于中國(guó)和東南亞的98個(gè)石櫟物種(代表了石櫟屬1/3的物種多樣性)，從物種果實(shí)縱截面圖像利用Pappus-Guldinus定理重建果實(shí)3D形態(tài)，量化多項(xiàng)果實(shí)形態(tài)特性(包括果實(shí)和種子體積、外果皮和花托對(duì)種子的包被程度等)，并進(jìn)行了種內(nèi)和種間的果實(shí)形態(tài)變異分析.研究結(jié)果表明，石櫟物種內(nèi)的形態(tài)分化較小，石櫟屬果實(shí)多態(tài)性主要由種間形態(tài)分化造成.且該研究通過對(duì)比外果皮和花托對(duì)種子的包被程度進(jìn)行果實(shí)類型劃分，相較于Cannon和Manos用肉眼進(jìn)行果實(shí)類型劃分的方法更加客觀準(zhǔn)確.該研究結(jié)果支持Cannon 和Manos提出的2種主要果實(shí)類型：橡實(shí)(AC)和花托包被實(shí)(ER)代表了石櫟屬層面的果實(shí)形態(tài)多樣性，但橡實(shí)(AC)是石櫟屬更常見和普遍的果實(shí)類型(只有不到1/3的物種生產(chǎn)花托包被實(shí)(ER)).該研究還證明了2種果實(shí)類型存在形態(tài)和物理防御分化：花托包被實(shí)(ER)和橡實(shí)(AC)的主要物理防御結(jié)構(gòu)分別是花托和果皮(圖2)，花托包被實(shí)(ER)的果實(shí)和種子較大，且果實(shí)物理防御水平顯著高于橡實(shí)(AC)[7].

為理解2種果實(shí)類型其物理防御權(quán)衡的形成過程和發(fā)育差異，陳曦等分析了代表2種果實(shí)類型的20個(gè)石櫟物種在發(fā)育過程中的的多項(xiàng)果實(shí)形態(tài)動(dòng)態(tài)特征：種子大小、外中果皮聯(lián)合體體積(由于2個(gè)組織結(jié)合緊密，故而作為一個(gè)整體進(jìn)行分析)、內(nèi)果皮體積和花托體積的增長(zhǎng)變化，再現(xiàn)了2種果實(shí)類型從果實(shí)發(fā)育初期到成熟的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程[27].這項(xiàng)研究的重要性首先在于對(duì)石櫟果實(shí)結(jié)構(gòu)的修正認(rèn)定：此前石櫟果實(shí)形態(tài)和果實(shí)類型研究[7, 28, 35]中的被認(rèn)為包被橡實(shí)(AC)的主要結(jié)構(gòu)——“外果皮”(圖2b、2e)，實(shí)為外、中、內(nèi)果皮的總和，也就是果皮結(jié)構(gòu)(圖2c、2f) (為避免概念混亂，前研究中出現(xiàn)“外果皮”結(jié)構(gòu)在本文中均糾正為“果皮”)[27].更重要的是，該研究發(fā)現(xiàn)2種果實(shí)類型在果實(shí)發(fā)育早期的形態(tài)結(jié)構(gòu)和組織分化順序：外中果皮聯(lián)合體首先分化出現(xiàn)，內(nèi)果皮和花托后分化出現(xiàn)，最后才是種子發(fā)育；但2種果實(shí)類型在果實(shí)發(fā)育后期的組織分化差異造就了它們?cè)诔墒鞎r(shí)的果實(shí)形態(tài)分化和物理防御權(quán)衡：果實(shí)發(fā)育后期，橡實(shí)(AC)的內(nèi)果皮發(fā)育顯著，而花托包被實(shí)(ER)的花托發(fā)育顯著，于是形成了單薄的果皮代表了橡實(shí)(AC)的弱物理防御，而木質(zhì)化加厚的花托是花托包被實(shí)(ER)的強(qiáng)物理防御[27].此外，該研究也支持Brett(1964)提出的殼斗功能假說：殼斗為處于發(fā)育初期階段的果實(shí)，尤其是橡實(shí)(AC)提供機(jī)械保護(hù).這項(xiàng)修訂明確了石櫟果實(shí)結(jié)構(gòu)和2種果實(shí)類型的形態(tài)差異的發(fā)育學(xué)原因，不僅為理解2種果實(shí)類型功能進(jìn)化機(jī)制奠定了重要基礎(chǔ)[36]，也為研究其他果實(shí)發(fā)育研究提供了模型范本.

除了果實(shí)形態(tài)和物理防御權(quán)衡，這2種果實(shí)類型也存在種子化學(xué)成分權(quán)衡：花托包被實(shí)(ER)種子的營(yíng)養(yǎng)成分(粗蛋白質(zhì)、脂肪、單糖和總非結(jié)構(gòu)型碳水化合物)較高，而橡實(shí)(AC)種子中代表化學(xué)防御的拒食素(中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、總單寧，縮合單寧和水解單寧)水平更高[35].出乎意料的是，橡實(shí)(AC)中主要的拒食素成分并非為人熟知的單寧[37]，而是纖維素[35].部分哺乳動(dòng)物的唾液中存在有單寧綁定唾液酶(tannin binding silavary proteins, TBSPs)，這種酶可以抑制單寧的毒性，從而抑制單寧作為化學(xué)防御的角色.因此，研究者們猜想可能石櫟種子的捕食者唾液中存在單寧綁定唾液酶，因此石櫟種子轉(zhuǎn)而投資生產(chǎn)無法被動(dòng)物分解的纖維素，來抑制動(dòng)物對(duì)能量和營(yíng)養(yǎng)的獲取，成為更有效的化學(xué)防御[35].

綜合以上石櫟果實(shí)類型形態(tài)分化和理化特性研究，發(fā)現(xiàn)石櫟2種果實(shí)類型存在一系列的形態(tài)和物化權(quán)衡：橡實(shí)(AC)的果實(shí)和種子較小，單薄的果皮是其種子的主要防御結(jié)構(gòu)，因此物理防御弱，但種子內(nèi)的化學(xué)防御水平高；而花托包被實(shí)(ER)的種子和果實(shí)更大，種子富含營(yíng)養(yǎng)，而木質(zhì)化加厚的花托是包裹種子的主要結(jié)構(gòu)，代表了強(qiáng)物理防御[7, 27, 28, 35](表1).但是，需要注意的是，觀察到有一些石櫟物種代表了不便于劃分、介于2種果實(shí)類型間的中間形態(tài)(圖1c、1d)：它們的花托急劇延長(zhǎng)加厚，幾乎覆蓋了整個(gè)種子，但同時(shí)果皮也沒有縮短，而是覆蓋在花托外部，和花托共同保護(hù)種子.陳曦等也指出雖然可以根據(jù)花托和果皮對(duì)種子的絕對(duì)包被程度將這些物種劃分成橡實(shí)(AC)或者花托包被實(shí)(ER)[7]，但是它們?cè)谛螒B(tài)上展現(xiàn)出來的特殊性對(duì)石櫟果實(shí)形態(tài)和進(jìn)化研究有重要意義.通過對(duì)具有中間果實(shí)形態(tài)的物種進(jìn)行詳細(xì)的果實(shí)理化特性分析，并與2種果實(shí)類型進(jìn)行對(duì)比，是回答中間果實(shí)類型與2種果實(shí)類型關(guān)系和差異的重要環(huán)節(jié)，也是理解石櫟果實(shí)類型進(jìn)化的關(guān)鍵.

表1 石櫟屬兩種果實(shí)類型形態(tài)和理化特性對(duì)比

1.2 2種果實(shí)類型的地理分布特性

為了探究石櫟果實(shí)形態(tài)多樣性與其地理分布的內(nèi)在聯(lián)系，陳曦等人調(diào)查了93個(gè)石櫟物種的分布情況，發(fā)現(xiàn)代表2種果實(shí)類型的石櫟物種的經(jīng)緯度分布有很大的重疊性，共享中國(guó)和東南亞2個(gè)主要分布中心[7].從群落層面上看，2種果實(shí)類型的石櫟物種也常常共生[35, 38-40]，甚至具有相似的優(yōu)勢(shì)度[7].廣義線性分析顯示石櫟種子隨海拔升高和緯度降低而變大，且石櫟果實(shí)物理防御均隨海拔和緯度升高而增大[7].作者們推測(cè)種子變大可能是為了補(bǔ)償由于海拔升高而產(chǎn)生的環(huán)境脅迫(如低溫、短光和周期等)的適應(yīng)性結(jié)果，且大種子需要更多的物理防御投資抑制種子捕食；而熱帶地區(qū)石櫟種子更大則可能是熱帶環(huán)境因子較亞熱帶地區(qū)更適于生產(chǎn)大種子、或者熱帶是更多的種子散播媒介等原因綜合影響下的結(jié)果[41].

目前，石櫟屬的分布概況和2種主要果實(shí)類型的分布格局基本明晰，不難看出2種果實(shí)類型的果實(shí)形態(tài)分化和物化權(quán)衡并非由于其地理分布分化造成，而更可能是和與其果實(shí)相互作用的動(dòng)物的長(zhǎng)期共同進(jìn)化的過程中，產(chǎn)生的生態(tài)位分化的結(jié)果.將在第2部分對(duì)石櫟果實(shí)和動(dòng)物的相互關(guān)系做詳細(xì)的論述.除此之外，氣候因子決定了物種的適宜生境，對(duì)物種的分布格局產(chǎn)生直接影響[42-45].并且，有證據(jù)顯示地理因子并不能完全解釋物種特征和種間分化[46].因此，在未來分析溫度、降水等重要?dú)夂蛞蜃訉?duì)石櫟物種和2種果實(shí)類型分布的影響和規(guī)律，是進(jìn)一步理解石櫟物種多樣性和果實(shí)類型分化的重要步驟.

2 石櫟的種子散播和物種更新研究

2.1 石櫟種子的捕食散播研究

石櫟種子是東亞熱帶亞熱帶常綠闊葉林內(nèi)眾多動(dòng)物類群的重要食物和營(yíng)養(yǎng)來源[7-10].其中，昆蟲和脊椎動(dòng)物是2類最主要的種子捕食者[32]，分別代表著與石櫟種子的2種截然不同的相互關(guān)系：抑制種子散播的拮抗關(guān)系和有助于種子散播的互利共生關(guān)系[32, 47-48].昆蟲與石櫟種子的拮抗作用體現(xiàn)在昆蟲消費(fèi)種子，獲得了能量和繁衍后代的機(jī)會(huì)，但種子產(chǎn)量被嚴(yán)重削弱，種子散播受限，從而對(duì)石櫟種群重建產(chǎn)生不利影響[48].而具有分散囤積行為的脊椎動(dòng)物則和石櫟植物形成了互利共生的關(guān)系，它們同時(shí)扮演著捕食者和散播者的雙重角色：它們?cè)谙M(fèi)種子獲取食物和能量的同時(shí)，也搬運(yùn)種子使其遠(yuǎn)離母樹，將種子埋藏在有利于種子萌發(fā)和幼苗建立的土壤淺表，擴(kuò)大了石櫟的分布范圍和生存空間，以及繁衍后代的機(jī)率[8-9,49-50].

目前，針對(duì)石櫟果實(shí)與動(dòng)物相互關(guān)系對(duì)研究十分有限，只了解到一些昆蟲和脊椎動(dòng)物捕食者的片段信息：如象甲、雪片象、癭蜂可能是某些石櫟物種種子的昆蟲捕食者[51]；而目前已知的石櫟的脊椎動(dòng)物捕食散播者多為嚙齒類動(dòng)物，如白腹鼠屬(Niviventercoxingi)、鼠屬(Rattus)、巨鼠屬(Berylmys)、姬鼠屬(Apodermus)、小泡鼠屬(Leopoldamys)、巢鼠屬(Micromys)、社鼠(Niviventerconfucianus)和針毛鼠(Niviventerfulvescens)等[9, 49-50, 52]，而雖然觀察到更大型的哺乳動(dòng)物如野豬也捕食石櫟果實(shí)[7]，但它們是否對(duì)種子有散播還有待考證.果實(shí)的物理防御和化學(xué)成分特性和其動(dòng)物捕食者密切相關(guān)[32]，因此，共生且物化特性相異的2種果實(shí)類型的石櫟是種子捕食散播研究的理想模型.而且由于代表這2種果實(shí)類型的石櫟物種往往共生[7]，因此我們推測(cè)具有形態(tài)和物化權(quán)衡的2種果實(shí)類型可能是針對(duì)昆蟲和脊椎動(dòng)物不同捕食壓力下，進(jìn)化形成的2種不同的種子保護(hù)、散播和種群更新的適應(yīng)性對(duì)策：花托包被實(shí)(ER)的物理防御強(qiáng)，限制了昆蟲對(duì)其捕食，同時(shí)促進(jìn)了脊椎動(dòng)物對(duì)果實(shí)的散播，其種子大且營(yíng)養(yǎng)豐富，有利于種子萌發(fā)和幼苗建立，但由于單個(gè)果實(shí)生殖能量投入高，限制了果實(shí)總產(chǎn)量和建植的種苗數(shù)量；而機(jī)械防御弱的橡實(shí)(AC)被更多類型的昆蟲捕食，也被脊椎動(dòng)物更多地原地消費(fèi)，但其單個(gè)果實(shí)的生殖能量投入小，果實(shí)總產(chǎn)量高，因此足夠數(shù)量的果實(shí)可以躲避捕食，萌發(fā)定植.因此，全面調(diào)查2種石櫟果實(shí)類型的昆蟲捕食者和脊椎動(dòng)物捕食散播者，同時(shí)結(jié)合石櫟果實(shí)形態(tài)和理化特性，分析2種果實(shí)類型與昆蟲和脊椎動(dòng)物的相互作用差異，是驗(yàn)證2種果實(shí)類型生活史策略的假說和解析石櫟2種果實(shí)類型進(jìn)化動(dòng)力和其共生機(jī)制的關(guān)鍵步驟.

2.2 石櫟種子萌發(fā)特性及幼苗生長(zhǎng)研究

在種子散播后，種子的萌發(fā)和定植是影響石櫟種群重建和分布的另一重要步驟.雖然石櫟屬植物可以大量結(jié)實(shí)，但在成年石櫟的森林中卻很難發(fā)現(xiàn)石櫟幼苗，這可能與石櫟種子的低萌發(fā)率相關(guān)[26, 53-56].種子的萌發(fā)率同時(shí)受到非生物因子和生物因子兩方面的影響.影響石櫟種子萌發(fā)的重要的非生物因子包括溫度、濕度和植物激素等，如研究發(fā)現(xiàn)石櫟種子在 25 ℃ 條件下萌發(fā)率最高[53-54]；且4%的硝酸鉀、濃硫酸，赤霉素等都能促進(jìn)石櫟種子的萌發(fā)[26, 54-55].生物因子如昆蟲，他們捕食石櫟種子，除了降低種子產(chǎn)量并限制種子散播外，昆蟲攜帶的真菌、細(xì)菌和病毒也會(huì)造成種子感染甚至死亡[32,48,56-57].種子通過各種化學(xué)和物理防御來降低被捕食和感染的風(fēng)險(xiǎn)[58-59]，但這些防御也可能成為種子萌發(fā)的阻礙.例如，不同的研究都發(fā)現(xiàn)剝?nèi)ス麣た梢源龠M(jìn)石櫟種子的萌發(fā)[26,53-54].以上研究讓我們對(duì)影響石櫟種子萌發(fā)的因素有了一些基礎(chǔ)的了解，但是，我們對(duì)石櫟屬2種果實(shí)類型的種子在萌發(fā)特性上的差異卻不甚了解：較大且富含營(yíng)養(yǎng)的花托包被實(shí)(ER)種子是否比較小的橡實(shí)(AC)種子萌發(fā)率更高；或者花托包被實(shí)(ER)的木質(zhì)化加厚的果殼是其萌發(fā)的阻礙，而橡實(shí)(AC)果殼脆弱因此萌發(fā)率更高？2種果實(shí)類型的種子萌發(fā)是否需要不同的適宜環(huán)境？解析2種果實(shí)類型萌發(fā)特性差異與其果實(shí)形態(tài)和物化權(quán)衡之間的聯(lián)系是我們理解石櫟物種和果實(shí)類型分化的關(guān)鍵，也是理解2種類型石櫟物種的共存和生活史策略的重要步驟.

而目前針對(duì)石櫟幼苗生長(zhǎng)的研究，主要集中于提高苗木成活率的育苗方法：包括(1)適于石櫟幼苗生長(zhǎng)的基質(zhì)配方：如研究發(fā)現(xiàn)最適于東南石櫟(L.harlandii)幼苗生長(zhǎng)的基質(zhì)配方為泥炭土∶珍珠巖∶鋸屑為 3∶1∶1[60]；(2)肥料對(duì)石櫟幼苗的生長(zhǎng)和生物量表現(xiàn)的影響：如耳葉石櫟(L.elegans)的幼苗在一公頃 100 kg N尿素肥料劑量下生長(zhǎng)和生物量表現(xiàn)最好[26]；(3)通過控制蒸騰作用來提高石櫟苗木成活率：如摘除欖葉石櫟(L.oleaefolia)苗木上部分較大葉片，減少葉面蒸騰蒸發(fā)的水分可提高其苗木成活率等[61].這些研究為石櫟的造林和引種栽培奠定了重要理論指導(dǎo)，對(duì)石櫟的科學(xué)合理開采提供了重要的科學(xué)理論基礎(chǔ).但是，我們對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)中石櫟的幼苗生長(zhǎng)和生存卻鮮有了解.石櫟幼苗的形態(tài)和成樹形態(tài)差異明顯，這造成了野外石櫟幼苗辨認(rèn)難以及不同石櫟物種幼苗鑒定困難的情況.因此，我們建議在本地尋求專業(yè)支持，如林業(yè)局或者熟悉植物的本地山民協(xié)助進(jìn)行石櫟幼苗識(shí)別和物種鑒定，同時(shí)對(duì)幼苗生長(zhǎng)發(fā)育情況進(jìn)行年間追蹤觀測(cè)，深入了解石櫟群落結(jié)構(gòu)和種群重建過程，分析探討石櫟多樣性和分布形成原因.

3 石櫟屬的分子系統(tǒng)發(fā)育及兩種果實(shí)類型的進(jìn)化關(guān)系

隨著分子生物學(xué)的迅猛發(fā)展，利用基因數(shù)據(jù)進(jìn)行分子系統(tǒng)發(fā)育研究成為目前研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一.Cannon和Manos在2003年利用葉綠體基因(cpDNA)和內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(nrITS)構(gòu)建了少量婆羅洲熱帶及亞洲大陸石櫟物種的系統(tǒng)發(fā)育樹，并提出石櫟屬起源于東南亞熱帶，隨后向亞洲方向遷徙的理論[62].他們認(rèn)為向亞洲遷徙的過程中，一次向西擴(kuò)散到歐洲(只有化石記錄，沒有現(xiàn)存物種)，另一次向東擴(kuò)散到北美西部，有一個(gè)現(xiàn)存的物種[62].而后來的研究發(fā)現(xiàn)，北美西部的現(xiàn)存物種并非石櫟物種，而應(yīng)認(rèn)定為新屬Notholithocarpus[63-64].由于Cannon和Manos的石櫟理論還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證，Yang等于2018年通過內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(nrITS)和葉綠體基因的atpB-rbcL序列，構(gòu)建了84個(gè)石櫟物種的3個(gè)系統(tǒng)發(fā)育樹(包括聯(lián)合內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(nrITS)和葉綠體基因的atpB-rbcL序列構(gòu)建的一個(gè)系統(tǒng)發(fā)育樹以及單獨(dú)由內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(nrITS)或葉綠體基因的atpB-rbcL序列構(gòu)建的2個(gè)系統(tǒng)發(fā)育樹).相對(duì)于Cannon和Manos在2003年構(gòu)建的熱帶及少量亞洲大陸石櫟物種的系統(tǒng)發(fā)育樹，該研究囊括了1/3的石櫟物種多樣性并代表了石櫟的主要分布地區(qū)(東亞、東南亞)，成為目前已發(fā)表的最完善的石櫟屬系統(tǒng)發(fā)育樹.另外，他們否定了Cannon和Manos的石櫟熱帶起源的假說[62]，指出石櫟屬起源于中國(guó)亞熱帶，于中新世早期向東南亞遷移，隨后在大巽他群島進(jìn)行原位多樣化，造成了目前東南亞石櫟物種豐富的現(xiàn)狀[65].

另外，Cannon和Manos在2001年通過內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(nrITS)構(gòu)建了21個(gè)熱帶石櫟物種系統(tǒng)發(fā)育樹，并和果實(shí)形態(tài)研究相結(jié)合，初步揭示了2種果實(shí)類型的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系：花托包被實(shí)(ER)至少在不同進(jìn)化枝中獨(dú)立進(jìn)化了2次，可能是進(jìn)化中后出現(xiàn)的果實(shí)類型[28].他們還發(fā)現(xiàn)果實(shí)類型的形態(tài)變化和基因變異沒有必然的對(duì)應(yīng)關(guān)系：橡實(shí)(AC)物種的種內(nèi)和種間形態(tài)變異均小于其基因的變異[66-67]，而花托包被實(shí)(ER)形態(tài)的變異卻大于其基因的變異[28].這說明花托包被實(shí)形態(tài)學(xué)方面臨更大的選擇壓力，同樣暗示2種果實(shí)類型可能是對(duì)應(yīng)不同捕食壓力下分化的產(chǎn)物.但這項(xiàng)研究使用的基因數(shù)量(一個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(nrITS))和物種數(shù)量少(21個(gè)物種)，且其果實(shí)類型劃分缺乏數(shù)據(jù)支持.

因此，對(duì)Yang等[65]發(fā)表的系統(tǒng)發(fā)育樹上的49個(gè)石櫟物種的果實(shí)類型進(jìn)行精確劃分，并將其標(biāo)注到系統(tǒng)發(fā)育樹上(圖3).結(jié)果顯示，49個(gè)物種中，32個(gè)物種屬于橡實(shí)(AC)類型,17個(gè)物種屬于花托包被實(shí)(ER)類型.且花托包被實(shí)(ER)的在不同的進(jìn)化枝之中反復(fù)多次出現(xiàn)，說明其不是進(jìn)化選擇的偶然性，在進(jìn)化上存在一定的優(yōu)勢(shì).但這些分析還不足以完全理解2種果實(shí)類型之間的進(jìn)化關(guān)系.首先，Yang等建立的系統(tǒng)發(fā)育樹所使用的基因數(shù)量少(只有內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(nrITS)和葉綠體基因的atpB-rbcL序列)，因此系統(tǒng)樹的穩(wěn)定性較弱，種間關(guān)系支持力度不足.因此，增加基因數(shù)量來建構(gòu)完善且穩(wěn)定的石櫟系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，并完善石櫟物種果實(shí)形態(tài)多樣性研究十分必要.更重要的另一個(gè)方面是，目前單純的分子系統(tǒng)發(fā)育研究存在很多缺陷，如基因組數(shù)據(jù)集的分析技術(shù)存在偏差[68]，或者單純依賴分子數(shù)據(jù)可能會(huì)誤判物種的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系等[69-70].形態(tài)學(xué)證據(jù)是完善分子系統(tǒng)發(fā)育和物種間關(guān)系的重要環(huán)節(jié).因此，將石櫟物種果實(shí)形態(tài)學(xué)特征(如果實(shí)類型、果實(shí)大小、葉片大小等)與其分子發(fā)育系統(tǒng)結(jié)合，對(duì)其進(jìn)行祖先形狀重建和系統(tǒng)信號(hào)發(fā)育研究可以解決分子數(shù)據(jù)難以處理的物種系統(tǒng)位置、提高分子進(jìn)化樹的準(zhǔn)確性[71].另一方面，通過系統(tǒng)發(fā)育樹追蹤果實(shí)特征的進(jìn)化可以初步探究果實(shí)類型變化的分子基礎(chǔ)，了解石櫟果實(shí)形態(tài)多樣性與其物種進(jìn)化的相互關(guān)聯(lián)，為探究石櫟屬關(guān)鍵種系統(tǒng)位置和理解2種果實(shí)類型進(jìn)化關(guān)系提供佐證.這不僅可以幫助我們進(jìn)一步驗(yàn)證石櫟的起源(熱帶還是亞熱帶)，也是揭示2種果實(shí)類型進(jìn)化關(guān)系的關(guān)鍵.

圖3 結(jié)合分子系統(tǒng)發(fā)育樹的石櫟物種果實(shí)類型演化關(guān)系圖

4 總結(jié)與展望

石櫟物種果實(shí)形態(tài)多態(tài)性與其物種進(jìn)化和多樣性形成密切相關(guān).2種主要的果實(shí)類型：橡實(shí)(AC)和花托包被實(shí)(ER)代表了石櫟屬物種間豐富的果實(shí)形態(tài)變異.這2種果實(shí)類型存在果實(shí)形態(tài)和物化特性的權(quán)衡：橡實(shí)(AC)的果實(shí)和種子較小，種子內(nèi)的高拒食素成分是強(qiáng)化學(xué)防御，包被種子的單薄果皮代表了弱物理防御；而花托包被實(shí)(ER)的種子和果實(shí)更大，種子營(yíng)養(yǎng)成分高，木質(zhì)化加厚的花托保護(hù)種子代表了強(qiáng)物理防御[7, 28, 35].果實(shí)發(fā)育學(xué)證據(jù)顯示這2種果實(shí)類型的形態(tài)權(quán)衡主要由花托和果皮在果實(shí)發(fā)育后期相異的分化速率造成[27].地理分布研究顯示，這2種果實(shí)類型的石櫟物種同時(shí)共享中國(guó)南部和東南亞2個(gè)分布中心，且往往在不同地區(qū)的不同森林類型中共生[7].

基于以上研究基礎(chǔ)，課題組推測(cè)2種果實(shí)類型在形態(tài)和物化特性上的分化如果不是地理分布差異造成，那它們很可能存在生態(tài)位的分化，代表了不同捕食壓力下長(zhǎng)期進(jìn)化出現(xiàn)的2種適應(yīng)性對(duì)策：花托包被實(shí)(ER)物理防御強(qiáng)，既限制了昆蟲對(duì)其種子的捕食，也促進(jìn)了脊椎動(dòng)物對(duì)種子的散播，同時(shí)高營(yíng)養(yǎng)的種子利于種子萌發(fā)和定植；而機(jī)械防御弱的橡實(shí)(AC)，不僅被更多類型的昆蟲所捕食，也被脊椎動(dòng)物進(jìn)行大量原地消費(fèi)，但其果實(shí)小，果實(shí)總產(chǎn)量大，最終足夠數(shù)量的果實(shí)能夠躲避捕食，完成種子萌發(fā)定植.因此，未來急需開展石櫟果實(shí)形態(tài)和理化特性與昆蟲和脊椎動(dòng)物的相互作用研究，來解析石櫟2種果實(shí)類型的進(jìn)化動(dòng)力和其共生機(jī)制.同樣重要的是，分析對(duì)比2種果實(shí)類型的石櫟種子的萌發(fā)特性和幼苗生長(zhǎng)情況，是回答2種果實(shí)類型的種群更新差異、生態(tài)位分化和生活史策略的另一個(gè)關(guān)鍵.

通過將果實(shí)形態(tài)研究與石櫟分子系統(tǒng)發(fā)育結(jié)合，初步揭示了花托包被實(shí)(ER)可能是進(jìn)化中后出現(xiàn)的果實(shí)類型[28].而最新的石櫟系統(tǒng)發(fā)育樹雖然物種數(shù)量豐富[65]，但是使用基因數(shù)量較少，所以對(duì)種間關(guān)系支持力度不足，且缺乏形態(tài)數(shù)據(jù)支撐.因此，完善石櫟的分子系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，并把果實(shí)形態(tài)和果實(shí)類型研究與石櫟分子系統(tǒng)發(fā)育相結(jié)合進(jìn)行祖先狀態(tài)重建和系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)分析，將為石櫟屬內(nèi)關(guān)鍵種的系統(tǒng)位置提供果實(shí)形態(tài)佐證，明晰2種果實(shí)類型的進(jìn)化關(guān)系，同時(shí)為分析果實(shí)多樣性與物種進(jìn)化的相互關(guān)聯(lián)提供重要證據(jù).

總之，石櫟果實(shí)形態(tài)和果實(shí)類型研究不僅是石櫟分類鑒定的重要證據(jù)，也對(duì)理解石櫟的種子散播和物種更新、種間聯(lián)系、進(jìn)化和物種多樣性和形態(tài)多樣性關(guān)聯(lián)方面有重要作用.在此重提植物形態(tài)學(xué)的重要性，通過將石櫟果實(shí)形態(tài)研究與生物地理學(xué)、系統(tǒng)發(fā)育、生態(tài)學(xué)相結(jié)合，為理解石櫟物種分化與多樣性、物種進(jìn)化和共存研究提供了一個(gè)全新的視角，也為其他物種的進(jìn)化和多樣性研究提供了范本.