基于鄰域模型的柱卷性多態(tài)型選擇與選擇研究花柱卷曲性的維持及功能性別特化

基于鄰域模型的柱卷性多態(tài)型選擇與選擇研究花柱卷曲性的維持及功能性別特化

自冷戰(zhàn)結(jié)束以來(lái)，柱狀位的多態(tài)性進(jìn)化和保持一直是進(jìn)化生態(tài)學(xué)的熱點(diǎn)（barrett等人，2000）?；ㄖ鄳B(tài)型植物種群由2或3種表型的雌雄同花植株組成。種群內(nèi)的植株在性器官的長(zhǎng)度和定位上存在差異,這些差異通常與遺傳不親合性相結(jié)合而決定著非隨機(jī)交配(選型交配)的比例?；ㄖ鄳B(tài)型的維持通常作為頻率依賴(frequency-dependentselection)選擇的結(jié)果。頻率依賴的選擇影響著局域種群的進(jìn)化軌跡和遺傳多樣性(Sinervo&Calsbeek,2006)。頻率依賴的選擇要求個(gè)體間的性狀分布是頻率依賴或個(gè)體間存在相互作用。正頻率依賴的選擇和常見(jiàn)型的優(yōu)勢(shì)可導(dǎo)致單型;負(fù)頻率依賴的選擇導(dǎo)致稀有表型優(yōu)勢(shì)和多態(tài)型。研究發(fā)現(xiàn),頻率依賴的選擇有助于維持三型花柱植物L(fēng)ythrumsalicaria自然種群的型比(Eckertetal.,1996)。種群空間格局對(duì)于依賴頻率選擇所維持的花柱多態(tài)型是至關(guān)重要的。種群內(nèi)個(gè)體的鄰域密度可影響局域花粉庫(kù)的大小(Graff,1999)。如果花粉流是高度局域時(shí),個(gè)體植株的繁殖成功可能對(duì)鄰域花粉供體相當(dāng)敏感。如果某一表型植株在局域稀少時(shí),數(shù)量占優(yōu)的另一表型植株則有較少的異型花粉供體和花粉受體,因而種群內(nèi)二型植株的空間分布可對(duì)二型植株雌性和雄性適合度施加不同的選擇壓力。同時(shí),很多傳粉者的最優(yōu)覓食方式對(duì)種群密度的局域變異敏感(Kunin,1997)。目前負(fù)頻率依賴選擇與植物多態(tài)型維持的研究集中在異型花柱系統(tǒng)(Stehliketal.,2006;Brysetal.,2007,2008)和雌全異株系統(tǒng)上(Graff,1999;Cuevasetal.,2008)。具有多態(tài)型的雌雄同體植物雖然在繁殖策略上存在差異,但在功能性別(基因通過(guò)雄性和雌性功能傳遞的比例)上可能是相等的(Gleiseretal.,2008b)。然而,在特殊情況下,選型交配可通過(guò)促進(jìn)多態(tài)型物種功能性別特化而向性別分離進(jìn)化。在選型交配的植物中,功能性別特化的機(jī)制包括:1)個(gè)體可以從直接特化成某一性別中獲得高收益。比如個(gè)體特化成為雄性則可通過(guò)吸引大量傳粉者獲得高回報(bào)(Gleiseretal.,2008a)。2)在花柱二型物種中,傳粉者類群的改變可通過(guò)性別特化而驅(qū)動(dòng)功能性別二態(tài)的進(jìn)化(Lloyd,1979)。3)在異型雌雄異熟植物中,兩型隨繁殖季節(jié)進(jìn)程在交配機(jī)會(huì)和種子生產(chǎn)(或大小)上存在差異時(shí)可驅(qū)動(dòng)性別特化(Pendletonetal.,2000;Pannell&Verdu,2006)。比如,Gleiser等(2008b)通過(guò)親本分析和時(shí)間依賴的功能性別分析說(shuō)明異型雌雄異熟植物Aceropalus種子大小隨繁殖季節(jié)的進(jìn)程而減小時(shí),可選擇支持二型植株向其最先行使的性別功能特化?；ㄖ砬?flexistyly)是一種見(jiàn)于姜科山姜屬(Alpinia)和砂仁屬(Amomum)植物中的獨(dú)特的型二態(tài)現(xiàn)象(崔曉龍等,1995;Lietal.,2001,2002;Zhangetal.,2003;Takanoetal.,2005;王英強(qiáng)等,2005Renetal.,2007)。這一繁殖策略聯(lián)合了由花藥開(kāi)裂和柱頭可授性時(shí)間變化形成的異型雌雄異熟(劉敏等,2007)和由花柱運(yùn)動(dòng)形成的雌雄異位。具有這一性表達(dá)機(jī)制的植物種群包括兩種表型的個(gè)體:上舉型(anaflexistylousmorph)和下垂型(cataflexitylousmorph),其差異表現(xiàn)在它們開(kāi)花過(guò)程中花柱運(yùn)動(dòng)和花藥開(kāi)裂時(shí)間不同,即上舉型和下垂型分別相當(dāng)于異型雌雄異熟系統(tǒng)中的雌先熟型和雄先熟型。兩種表型的花期都是1天。下垂型個(gè)體的花在開(kāi)放時(shí)花藥開(kāi)裂散出花粉,但此時(shí)其柱頭卻向上彎曲遠(yuǎn)離傳粉通道;而上舉型個(gè)體在上午開(kāi)花時(shí)柱頭向下彎曲可接受傳粉昆蟲(chóng)拜訪,但其自身的花藥并不開(kāi)裂。兩種花型的花柱在中午開(kāi)始向各自相反的方向運(yùn)動(dòng):上舉型個(gè)體的花柱向上卷曲,當(dāng)其柱頭離開(kāi)能夠接觸傳粉者的位置后,它的花藥開(kāi)裂散粉;下垂型個(gè)體的花柱向下彎曲,其柱頭逐漸進(jìn)入昆蟲(chóng)拜訪的通道?；ㄖ砬酝ㄟ^(guò)這種獨(dú)特的花柱互補(bǔ)式運(yùn)動(dòng)和花粉散布的時(shí)間差異,以及與傳粉者拜訪頻率的巧妙結(jié)合,組成一個(gè)精巧的行為機(jī)制(張玲和李慶軍,2002)。本研究關(guān)注與花柱卷曲性植物的多態(tài)型維持及功能性別特化緊密相關(guān)的3個(gè)問(wèn)題:1)花柱卷曲性可否促進(jìn)選型交配(型間交配)?2)在種群局域空間尺度上,鄰域植株的密度和型結(jié)構(gòu)對(duì)目標(biāo)(focal)植株繁殖成功的作用如何?3)花柱卷曲性植物是否存在功能性別特化?我們采用人工擺放構(gòu)造的馬來(lái)良姜(Alpiniamutica)單型上舉型和下垂型種群以及型比1:1的二型種群,比較每類擺放中植株的結(jié)籽數(shù)以檢驗(yàn)型間傳粉的效率。本實(shí)驗(yàn)所用馬來(lái)良姜為引種植物,只栽培于中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園苗圃(XTBG,21°45′N,101°02′E;海拔580m)內(nèi),野外并無(wú)其自然種群,這就保證無(wú)外源花粉的輸入對(duì)擺放實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。通過(guò)使用鄰域模型調(diào)查野外云南草蔻(Alpiniablepharaocalyx)種群以目標(biāo)植株為中心、半徑為3m的圓形鄰域(以下簡(jiǎn)稱鄰域)中型比結(jié)構(gòu)和密度以及目標(biāo)植株的坐果結(jié)籽數(shù),以探討種群內(nèi)型比結(jié)構(gòu)與雌性適合度的關(guān)系,即負(fù)頻率依賴的選擇是否決定著目標(biāo)植株的雌性適合度。最后,我們使用云南草蔻作為研究材料以檢驗(yàn)花柱卷曲性植物兩型間可能存在的功能差異。我們首先比較兩型個(gè)體在花期和果期重要繁殖指標(biāo)間的差異以了解兩型個(gè)體的性別分配。然后,通過(guò)繁殖成功指標(biāo)(每型所產(chǎn)的平均種子數(shù))和種群型比計(jì)算了兩型的功能性別以評(píng)估種群功能特化。1材料和方法1.1云南草蚤花及相關(guān)品種特性馬來(lái)良姜為自交親和的多年生姜科草本植物。高1–3m;披針型單葉叢生;頂生的圓錐花序?；▋?nèi)鮮艷的花瓣?duì)钔嘶廴?唇瓣)游離與可育雄蕊愈合形成筒狀花冠。其中唇瓣的主要功能是為傳粉者的登陸提供平臺(tái),花冠管的長(zhǎng)度與傳粉者喙的長(zhǎng)度密切相關(guān)?；ㄐ蛎刻扉_(kāi)花數(shù)在1–5之間,單花花期近24h。擺放實(shí)驗(yàn)在2008年9月20日至10月3日間進(jìn)行。云南草蔻為多年生草本植物,高1–3m?；ㄐ蚝突ú刻卣魍R來(lái)良姜。種群中兩種表型幾乎同時(shí)開(kāi)花,花期持續(xù)約1個(gè)月。每個(gè)花序花數(shù)從25到70不等,花序每天開(kāi)花數(shù)在1–10之間,單花花期都是近24h?；ㄆ趶?月到4月底,蒴果在8–9月間成熟。云南草蔻管狀的花冠構(gòu)造適應(yīng)于長(zhǎng)喙型采蜜動(dòng)物的拜訪。野外觀察發(fā)現(xiàn)云南草蔻最有效的傳粉者是熊蜂屬的萃熊蜂(Bombuseximius)和瑞熊蜂(Bombusrichardis)。這些個(gè)體較大的熊蜂能夠在訪花的過(guò)程中觸及花藥和柱頭,并且它們具有長(zhǎng)距離覓食能力(Zhangetal.,2003)。1.2年平均溫度調(diào)查研究樣地位于云南省普洱市菜陽(yáng)河自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)(22°30′N,101°22′E,海拔1200m)內(nèi),該區(qū)年降水量1547.6cm,年平均溫度17.7℃。海拔1100m以下為熱帶溝谷雨林,1100m以上為常綠闊葉林和針闊混交林。樣地的上層樹(shù)種以榿樹(shù)(Alnusnepalensis)和西南樺(Betulaalnoides)為主,下層以云南草蔻為主。樣地種群中上舉型和下垂型的異交率(t±SD)分別為0.751±0.097和0.615±0.115(Sunetal.,2007)。野外種群調(diào)查工作在2007年和2008年3月中旬至4月中旬進(jìn)行。1.3方法1.3.1型種群的投放為了檢驗(yàn)花柱卷曲性能否促進(jìn)選型交配,使用引種植物馬來(lái)良姜構(gòu)建3類實(shí)驗(yàn)種群:全下垂型(C),全上舉型(A)和下垂型與上舉型比為1:1的二型(D)種群。擺放實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園苗圃中進(jìn)行。在二型種群的每一次擺放實(shí)驗(yàn)中,我們排列相等數(shù)目的上舉型和下垂型植株。所有擺放實(shí)驗(yàn)包含16株植株,且每日的花展示固定為每株2朵。擺放按D、A、C順序進(jìn)行。每一類擺放實(shí)驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行4天,然后隔日再進(jìn)行另一類擺放實(shí)驗(yàn)?？偣灿?9株植株進(jìn)行擺放實(shí)驗(yàn),其中C、A和D各用33株、30株和26株。實(shí)驗(yàn)期間,只有擺放植株每日從9:00到19:00接受自然傳粉者的拜訪。每日實(shí)驗(yàn)結(jié)束,所用植株被套袋。在果期我們記錄每一擺放實(shí)驗(yàn)的坐果數(shù)和每果的種子數(shù)。使用每株種子總數(shù)作為雌性適合度的測(cè)量指標(biāo)。1.3.2種群型比的測(cè)量種群大小和型結(jié)構(gòu)是以花序?yàn)闇y(cè)量單位進(jìn)行的(以下株均指花序)。我們?cè)诓岁?yáng)河云南草蔻種群內(nèi)隨機(jī)選取植株的一個(gè)花序作為目標(biāo)植株,然后調(diào)查記錄以目標(biāo)植株為中心、半徑為3m的圓形鄰域中開(kāi)放花序的型和數(shù)目。對(duì)標(biāo)記的目標(biāo)植株,記錄型和花序的花數(shù)。兩個(gè)目標(biāo)植株的距離大于10m。2007年總共標(biāo)記78株,2008年標(biāo)記110株。計(jì)數(shù)每個(gè)半徑3m圓形樣方中每型花序的數(shù)目(包括目標(biāo)植株,以下簡(jiǎn)稱樣方),分別加總所有樣方每型的數(shù)據(jù)作為種群型比的估計(jì)值。以目標(biāo)植株鄰域中開(kāi)放花序的數(shù)目作為鄰域密度指標(biāo)。同時(shí),使用型偏作為鄰域型結(jié)構(gòu)的測(cè)量指標(biāo)以反映鄰域中兩型花粉供體間的相對(duì)豐富度。型偏(morphbias)是鄰域中上舉型與下垂型花序數(shù)目之差除以鄰域密度(總花序數(shù))得到的;其取值從–1(只有下垂型)到0(兩型頻率相等)到1(只有上舉型)。我們使用花序數(shù)而不是基株數(shù)測(cè)量種群密度和型比是因?yàn)榛ㄐ驍?shù)在任何一年都可更好地反映配偶數(shù)目和受精可用的花粉數(shù)目?？寺〉拇笮〖捌浠ㄐ驍?shù)存在年際間差異。同時(shí)花序數(shù)也決定局域花粉庫(kù)的大小。為了調(diào)查種群型結(jié)構(gòu)對(duì)繁殖成功的作用,我們?cè)诠麑?shí)成熟前后剪取已標(biāo)記的目標(biāo)植株花序分別裝袋保存。測(cè)量記錄目標(biāo)植株的坐果數(shù),每果的結(jié)籽數(shù)。以每株坐果數(shù)和結(jié)籽數(shù)作為雌性適合度組分。1.3.3關(guān)于繁殖特性的研究1.3.3.開(kāi)放花數(shù)調(diào)查我們使用每花序每日開(kāi)放的花數(shù)測(cè)度花展示大小。隨機(jī)標(biāo)記同步開(kāi)花兩型個(gè)體(>30),每個(gè)體隨機(jī)選擇一個(gè)花序,調(diào)查花數(shù)。2007年從3月22日至4月15日隔日記錄每個(gè)花序當(dāng)日開(kāi)放的花數(shù),2008年,從3月27日至4月7日逐日記錄開(kāi)放花數(shù)。統(tǒng)計(jì)每型在抽樣時(shí)期平均日開(kāi)放花數(shù)作為花展示的指標(biāo)。1.3.3.花粉囊及開(kāi)放的花胚料的采集2007年隨機(jī)標(biāo)記同步開(kāi)花的兩型個(gè)體(下垂型38株,上舉33株),上舉型在開(kāi)花當(dāng)日上午,下垂型在開(kāi)花前3h采集所有開(kāi)放和即將開(kāi)放的花的花粉囊和子房并固定于FAA(甲醛:醋酸:乙醇=1:3:9)中,帶回實(shí)驗(yàn)室備用。從3月24日至4月15日隔日采集花粉囊和子房。在解剖鏡下計(jì)數(shù)每花胚珠數(shù)。每花的花粉配成5mL的懸浮液(冰乙酸:甘油=3:1),然后每次吸取20μL懸浮液在血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)花粉數(shù)目,每樣品重復(fù)8次取平均數(shù)估計(jì)每花的花粉。測(cè)定所有樣品的花粉和胚珠數(shù)做為繁殖指標(biāo)和計(jì)算功能性別。1.3.3.3年果實(shí)期指標(biāo)的測(cè)定1.3.4功能性別公式功能性別即功能雌性可以使用雌性和雄性繁殖投入(花粉和種子)或產(chǎn)出(種子)來(lái)測(cè)量。從適合度的角度來(lái)看,使用種子可能更接近與現(xiàn)實(shí)的繁殖成功。因而,功能性別就成為測(cè)量每型通過(guò)雌性和雄性功能所獲的平均適合度收益。在本研究中功能性別的計(jì)算包括忽略自交和考慮自交兩種情形。種群精確的功能性別極可能位于這二者之間。原因如下:1)同型的花粉必須要與大量的異型花粉競(jìng)爭(zhēng)交配機(jī)會(huì)。2)自花花粉的競(jìng)爭(zhēng)能力低于異型花粉。3)同型花粉受精所產(chǎn)的種子有較低的適合度(雙親近交衰退)。我們使用Gleiser等(2008b)提出的時(shí)間依賴的功能性別計(jì)算公式。這一計(jì)算公式綜合考慮了性別分配和時(shí)間依賴的交配機(jī)會(huì)。根據(jù)云南草蔻的單花花期、交配系統(tǒng)和選型交配的特點(diǎn),我們對(duì)此做出相應(yīng)的修改,分兩種情形分別計(jì)算功能性別:1)不存在同型(包括自交和型內(nèi)交配)交配時(shí)選型交配是唯一的交配方式(在以下的計(jì)算中忽略型內(nèi)交配)。i型j個(gè)體日產(chǎn)花粉數(shù)和胚珠數(shù)分別為pij和cij,則個(gè)體j當(dāng)日的雌性(wf,ij)和雄性(wm,ij)的期望適合度為:其中,i–表示與i相反的表型。Pi是i型當(dāng)日所產(chǎn)的總花粉數(shù),Ci–是當(dāng)另一型所產(chǎn)的總胚珠數(shù),即Pi=PijCi–=Ci-k?？傔m合度為wt,ij=wf,ij+wm,ij,而功能性別Gij=wf,ij/wt,ij。2)存在自交而不存在型內(nèi)交配時(shí),個(gè)體通過(guò)自交可從雌雄兩條途徑增加適合度。此時(shí),個(gè)體j的雌性和雄性的期望適合度為:其中,si和si–分別為兩型的自交率。這一方程假設(shè)自交后代和異交后代具有相同的適合度,即不存在近交衰退以及自交率為定值不隨年際變化。分別計(jì)算每個(gè)采樣日的雌性和總適合度,然后分別加總數(shù)據(jù)以求得個(gè)體功能性別。根據(jù)2007年花粉和胚珠連續(xù)采樣的數(shù)據(jù),分別計(jì)算了兩種情形下兩型隨時(shí)間變化的雌性雄性適合度及個(gè)體的功能性別。由于性表達(dá)可能是大小依賴的我們需要了解功能性別和植株大小間的關(guān)系(Sarkissianetal.,2001)。我們測(cè)量了株高、地面以上1m處的植株直徑、植株大小以圓柱體體積近似估計(jì)。如果將種群參數(shù)代入上式,可以得出如下的功能性別公式(以上舉型為例):其中,na和nc分別為種群中上舉型和下垂型的個(gè)體數(shù)或其頻率,da和dc分別為上舉型和下垂型個(gè)體平均所產(chǎn)的胚珠數(shù)或種子數(shù),sa和sc分別為上舉型和下垂型的自交率。上述兩式的假設(shè)同前。同理,我們也可以計(jì)算下垂型的功能雌性(Gc)。我們將2007年和2008年抽樣調(diào)查的種群中兩型的頻率及平均每花序的總種子數(shù)代入上述公式分別計(jì)算有無(wú)自交時(shí)兩型的功能性別。1.3.4型偏、鄰域密度和目標(biāo)植株表型的確定各實(shí)驗(yàn)種群間雌性適合度(每株種子總數(shù))的差異使用單因素方差進(jìn)行檢驗(yàn)。各擺放實(shí)驗(yàn)的均值進(jìn)行多重比較,p值采用Bonferroni校正。種群型比是否顯著偏離1:1采用pooledgoodness-of-fitG檢驗(yàn)。目標(biāo)植株鄰域密度及型偏在兩型間的差異使用單因素方差進(jìn)行檢驗(yàn)。其中目標(biāo)植株鄰域密度作平方根轉(zhuǎn)換。鄰域密度與型偏的相關(guān)性使用Spearman秩檢驗(yàn)。型偏、鄰域密度和目標(biāo)植株表型對(duì)雌性適合度組分的作用使用廣義線性模型分析(準(zhǔn)泊松分布)。型偏平方作為固定因子,這是因?yàn)樨?fù)頻率依賴的選擇導(dǎo)致在均衡型比(morphbias=0)時(shí),雌性適合度最大并隨型比偏離1:1而減少。在模型中,目標(biāo)植株的雌性適合度的組分(每株的坐果數(shù)和種子數(shù))作為獨(dú)立變量,而型偏、型偏的平方、型和目標(biāo)植株的花數(shù)作為固定變量。模型也檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)植株表型和型偏的交互作用,這可反映兩型對(duì)鄰域花粉供體相對(duì)豐富度響應(yīng)的差異。兩型在繁殖指標(biāo)的差異均采用兩個(gè)獨(dú)立樣本的t檢驗(yàn)。功能性別的大小依賴性使用多元線性回歸分析,功能性別作為獨(dú)立變量,植株大小作為連續(xù)變量,花序大小作為協(xié)變量。同時(shí)我們構(gòu)建Gj的累計(jì)頻度分布。使用Kolomogorov-Smirnov雙樣本檢驗(yàn)忽略自交和考慮自交時(shí)Gj分布的差異。所有的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)均使用R2.8.1(RDevelopmentCoreTeam,2008)。2結(jié)果2.1型種群的兩性適合度擺放實(shí)驗(yàn)期間,主要的傳粉昆蟲(chóng)是體型較小的彩帶蜂(Nomiayunnanensis),而體型較大的有效傳粉者木蜂的拜訪頻率極低。A、C和D種群的坐果總數(shù)分別為17、51和41。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,擺放的類型顯著影響植株生產(chǎn)種子的總數(shù)(F2,9=4.66,p=0.04)(圖1),二型種群的雌性適合度高于單型種群。這說(shuō)明二型種群可通過(guò)選型交配增加適合度收益。多重比較結(jié)果顯示,A的種群雌性適合度顯著低于D(p=0.043),而和C的雌性適合度與D(p=0.859)和A(p=0.275)都無(wú)差異。單型種群間坐果結(jié)籽數(shù)的差異反映出由兩型同型交配(包括自交和型內(nèi)交配)間的差異。上舉型低的雌雄功能重疊的程度減少了單型種群內(nèi)同型交配的機(jī)會(huì),因而具有更低的坐果結(jié)籽數(shù)。全下垂型種群和二型種群具有相同的雌性適合度,說(shuō)明二型種群的維持需要種群個(gè)體通過(guò)型間交配而獲得較高的雄性適合度收益。2.2種植物內(nèi)上舉型和鄰域密度2007年和2008年的樣方中花序總數(shù)分別為1693個(gè)和1835個(gè)。由樣方數(shù)據(jù)估計(jì)的整個(gè)種群上舉型花序的頻率在2007年和2008年分別為0.444(Gpooled=2780.742,df=1,p<0.0001)和0.439(Gpooled=2344.79,df=1,p<0.0001)。在種群范圍內(nèi)上舉型花序數(shù)顯著少于下垂型的。種群平均花序密度和(mean±SD)在2007年和2008年為(0.768±0.328)個(gè)·m–2和(0.590±0.261)個(gè)·m–2。上舉型和下垂型目標(biāo)植株的鄰域密度在2007年和2008年分別為20.72±9.38和20.69±9.29;15.74±7.68和15.6±7.16。兩型間都無(wú)差異(2007年:F1,76=0.0058,p=0.939;2008年:F1,108=0.0006,p=0.981)。然而,鄰域中型偏在兩型間存在差異,特別是在2008年差異顯著(2007年:F1,76=3.744,p=0.0567;2008年:F1,108=18.417,p<0.001)(圖2)。目標(biāo)植株的鄰域中型偏在兩年顯示出相同的模式:在目標(biāo)植株的鄰域中,與目標(biāo)植株相同的型的頻率大于異型頻率,即鄰域的型偏偏向目標(biāo)植株的表型(圖2)。鄰域密度和型偏間在兩年都不存在相關(guān)關(guān)系(Spearman秩檢驗(yàn)2007年:ρ=–0.118,p=0.303;2008年:ρ=–0.141p=0.143)。2.3鄰域密度、型偏和表型對(duì)目標(biāo)植株的適應(yīng)能力無(wú)顯著影響廣義線性模型分析表明,兩年期間目標(biāo)植株雌性適合度組分與型偏平方間無(wú)顯著的回歸關(guān)系(表1)。相對(duì)于頻率依賴選擇理論預(yù)期,我們的調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn),目標(biāo)植株雌性適合度在鄰域中不受負(fù)頻率依賴選擇的作用,即目標(biāo)植株的雌性適合度(Y=每株坐果數(shù)或結(jié)籽數(shù))與型偏(x=型偏)間并未出現(xiàn)負(fù)頻率依賴選擇理論所預(yù)期Y=Ax2+C(a<0)的關(guān)系(圖4)。鄰域密度、型偏和表型對(duì)目標(biāo)植株每花結(jié)籽數(shù)無(wú)顯著作用(表1)。鄰域密度與雌性適合度無(wú)關(guān)說(shuō)明在我們的研究尺度上并無(wú)密度依賴作用。同時(shí)目標(biāo)植株表型和鄰域型偏間的交互作用對(duì)目標(biāo)植株雌性適合度無(wú)影響,說(shuō)明二型植株對(duì)鄰域中花粉供體的相對(duì)豐富度的響應(yīng)無(wú)差異。目標(biāo)植株的每株坐果和結(jié)籽數(shù)只與其個(gè)體的狀態(tài)顯著相關(guān),即花序花數(shù)多的個(gè)體坐果和結(jié)籽數(shù)也相應(yīng)的高(表1)。2.4種群功能性別云南草蔻兩型在花期和果期的各繁殖性狀均不存在顯著差異(表2)。這也說(shuō)明兩型在繁殖投入和產(chǎn)出間不存在差異。云南草蔻的兩型繁殖性狀的信息提示種群兩型的功能性別可能相等。在本研究中,這兩種方法計(jì)算的功能性別反映出相同的兩型功能性別特化趨勢(shì)和程度,即選型交配是唯一的交配模式時(shí),下垂型功能偏雌性而上舉型偏雄性。根據(jù)改進(jìn)公式使用繁殖投入計(jì)算的適合度和Gj累計(jì)頻率分布得出:1)在忽略自交時(shí),種群平均功能性別是0.504(95%CI=0.492–0.515)。兩型偏向不同的性別特化。下垂型向雌性功能特化(平均功能性別0.539(95%CI=0.529–0.549))而上舉型向雄性功能特化(平均功能性別0.462(95%CI=0.451–0.474))。種群中功能雌性的頻率范圍分別為0.385–0.599。2)當(dāng)考慮自交時(shí),種群平均功能性別是0.571(95%CI=0.566–0.578)。兩型均向雌性功能特化。下垂型和上舉型的平均功能性別分別為0.578(95%CI=0.571–0.585)和0.563(95%CI=0.554–0.571)。種群功能性別偏雌,即所有個(gè)體的功能性別均不小于0.05(頻率范圍為0.503–0.611)。自交對(duì)Gj累計(jì)頻率分布有顯著作用(Kolomogorov-Smirnov雙樣本檢驗(yàn),D=0.7042,p<0.0001)。自交可使種群具有偏雌的功能性別分布(圖4)。從表3可以看出,云南草蔻種群只存在選型交配時(shí)兩型對(duì)種群雌性功能的貢獻(xiàn)相當(dāng)。上舉型相比于下垂型通過(guò)雄性功能獲得較高的適合度,即上舉型對(duì)種群的雄性功能貢獻(xiàn)較大。但自交可降低上舉型的雄性適合度。而自交對(duì)下垂型的適合度影響甚少。因此當(dāng)選型交配是種群唯一的交配模式時(shí),兩型具有功能性別特化的傾向,即下垂型功能偏雌性而上舉型偏雄性。這一功能性別特化的模式可能反映了兩型在花期的交配機(jī)會(huì)間存在差異,并可能是通過(guò)對(duì)上舉型的雄性功能的選擇而造成的。兩型交配機(jī)會(huì)的差異可能與兩型的花展示大小有關(guān)。回歸分析結(jié)果表明功能性別獨(dú)立于植株大小(忽略自交:t=–0.051,p=0.960;考慮自交:t=0.055,p=0.956)和花序大小(忽略自交t=–0.219,p=0.827;考慮自交:t=0.307,p=0.759),即不存在大小依賴的功能性別。基于平均種子數(shù)和種群型頻率計(jì)算的兩型功能性別反映出與上述相同的性別特化模式。2007年的結(jié)果與使用花粉胚珠計(jì)算的結(jié)果基本一致。2008年的結(jié)果反映出兩型通過(guò)雌性和雄性功能獲得適合度收益的差異增大(表4)。自交的存在也使種群的性別功能偏雌性。種群的型比可反映頻率依賴的選擇。從表4也可看出,云南草蔻種群中較低頻率的上舉型向雄性功能特化。負(fù)頻率依賴的選擇使得上舉型具有較高的雄性適合度優(yōu)勢(shì),但這一優(yōu)勢(shì)隨著其頻率的增加而降低。因而當(dāng)選型交配的水平高于隨機(jī)交配時(shí),負(fù)頻率依賴的選擇是穩(wěn)定異型雌雄異熟而不是導(dǎo)致性別特化的進(jìn)化。3討論3.1種群結(jié)構(gòu)與繁殖影響聯(lián)合擺放實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的種群和自然種群的調(diào)查探討了花柱卷曲性的功能及其維持機(jī)制?；ㄖ砬孕纬傻亩头N群可以促進(jìn)型間花粉傳遞和選型交配。云南草蔻自然種群表現(xiàn)出尺度依賴效應(yīng),在種群水平上,下垂型的頻率顯著高于上舉型;而在局域尺度上,兩型傾向于同型聚集分布。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果說(shuō)明:目標(biāo)植株對(duì)鄰域中花粉供體相對(duì)豐富度的反應(yīng)在兩型間無(wú)差異;目標(biāo)植株雌性適合度在鄰域中不受負(fù)頻率依賴選擇的作用。多數(shù)花柱多態(tài)型植物的進(jìn)化生態(tài)學(xué)研究都試圖證明達(dá)爾文異交傳粉假說(shuō),即二型花柱物種柱頭和花粉囊的互補(bǔ)配置(互補(bǔ)的雌雄異位)可通過(guò)花粉在傳粉者身體上的隔離和型間花粉散布而促進(jìn)有效傳粉(Brysetal.,2007)。雖然花柱卷曲性植物在花內(nèi)并不具有柱頭和花粉囊的互補(bǔ)結(jié)構(gòu),但是由花柱運(yùn)動(dòng)形成的雌雄異位可在同一時(shí)間段中使種群中兩型間的花粉散布和柱頭可授性相匹配。兩型間雌雄功能匹配可使種群形成“暫時(shí)性雌雄異株(temporaldioely)”進(jìn)而促進(jìn)選型交配。三類實(shí)驗(yàn)種群結(jié)果說(shuō)明花柱卷曲性二型種群的雌性適合度顯著高于全上舉型種群(圖1)。這說(shuō)明單型上舉型種群的型內(nèi)交配機(jī)會(huì)有限。上舉型的雌性功能先于雄性功能且花柱運(yùn)動(dòng)使個(gè)體的雌雄功能完全分離,限制了個(gè)體間的交配和自交。因而上舉型型內(nèi)交配的發(fā)生可能與傳粉者的負(fù)載效應(yīng)相關(guān)。單型上舉型種群有限的交配機(jī)會(huì)降低個(gè)體雌雄兩方面的適合度而使其不足以穩(wěn)定存在。但是全下垂型種群的坐果數(shù)多于二型種群且每株結(jié)籽數(shù)在兩類種群間無(wú)差異(圖1)。下垂型有著較高的自交率和后自交機(jī)會(huì)。比如云南草蔻的下垂型有較高的自交率(Sunetal.,2007)。在下垂型中,花粉的移除受傳粉者調(diào)控,花粉在花內(nèi)的續(xù)存時(shí)間即雌雄功能隔離程度是有效拜訪頻率的函數(shù)。在缺乏有效傳粉者和傳粉者在上午拜訪頻率較低時(shí),下垂型雌雄功能在下午的重疊可促進(jìn)型內(nèi)交配。在實(shí)驗(yàn)期間,彩帶蜂有較高的拜訪頻率但花粉負(fù)載較小,這也增加了下垂型的坐果數(shù)。雖然單型下垂型種群可能與二型種群的雌性適合度相等,但單型下垂型也面臨著因近交衰退和雌雄性別干擾而造成的雌性和雄性適合度損失。因而上舉型突變體入侵單型下垂型種群的需要上舉型通過(guò)減少雌雄性別干擾而提高雄性適合度來(lái)實(shí)現(xiàn)。這也說(shuō)明單型雌性異熟面臨著性比選擇,即在種群水平上可用花粉和胚珠存在時(shí)間不匹配時(shí),選擇不支持雌雄異熟(Sargentetal.,2006)。目前種群空間結(jié)構(gòu)與花柱多態(tài)型繁殖成功間關(guān)系的研究主要在種群和個(gè)體兩個(gè)空間尺度上進(jìn)行。然而,影響植物繁殖成功的生態(tài)作用可能在較小的空間尺度描述更為恰當(dāng)(Spigler&Chang2008)。比如,由于資源是高度局域分布的而植物是固著生長(zhǎng)的,個(gè)體間的資源競(jìng)爭(zhēng)的作用是局域空間尺度上的特征。在本研究中,目標(biāo)植株鄰域中兩型的分布表現(xiàn)出相同模式,即兩型趨向于聚集分布(圖2)。這一分布特點(diǎn)反映出云南草蔻的克隆生長(zhǎng)特性,即每一基株及其分株間都是聚集生長(zhǎng)的。鄰域密度和型偏對(duì)兩型目標(biāo)植株雌性適合度無(wú)顯著作用以及型偏的平方與目標(biāo)植株雌性適合度無(wú)顯著回歸關(guān)系,說(shuō)明二型植株對(duì)鄰域中花粉供體的相對(duì)數(shù)量并不敏感,同時(shí)在鄰域尺度上不存在負(fù)頻率依賴的選擇。這些結(jié)果也表明雌性適合度負(fù)頻率依賴的選擇在我們研究的鄰域尺度上并不作為影響型比結(jié)構(gòu)的主要機(jī)制。我們未能檢測(cè)到負(fù)頻率依賴選擇的可能原因包括:1)鄰域大小的選擇可能不恰當(dāng)。種群內(nèi)鄰域研究都是尺度依賴的,我們的研究缺乏多個(gè)空間尺度的比較分析。比如,花粉限制和資源限制可能發(fā)生在不同鄰域尺度上。在不同鄰域大小對(duì)Sabatiaangularis坐果結(jié)籽作用的研究中發(fā)現(xiàn),在局域水平上,鄰域密度在1–4m間增加時(shí)目標(biāo)植株的坐果率顯著增加;而鄰域密度在1m內(nèi)增加時(shí)結(jié)籽率卻顯著減低。這一相反作用可能反映出資源競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生在較小尺度范圍內(nèi)(Spigler&Chang,2008)。2)缺乏局域度對(duì)花粉沉積影響的調(diào)查。鄰域密度不但影響傳粉者的拜訪頻次,也影響花粉傳遞數(shù)量(Aizen,1997)。如果花粉流是高度局域時(shí),負(fù)頻率依賴的選擇才可被檢測(cè)。傳粉者在花序間移動(dòng)和在單個(gè)花序停留時(shí)間與局域尺度關(guān)系有待進(jìn)一步調(diào)查。3)不同的傳粉者可能對(duì)鄰域密度具有不同的反應(yīng)。比如,Zorn-Arnold和Howe(2007)研究Penstemondigitalis種群密度與結(jié)籽率關(guān)系時(shí),發(fā)現(xiàn)體型較大且機(jī)動(dòng)性較差的長(zhǎng)舌蜂(Bombusfervidus,B.pennsylvanicus和Xylocopavirginica)選擇密度較大的鄰域以最小化鄰域間飛行代價(jià);而體型較小且具有更好的機(jī)動(dòng)性的短舌蜂(B.bimaculatus,B.griseocollis和B.impatiens)在密度較小鄰域中有較高的拜訪頻率。3.2云南草蚤功能性別特化的趨勢(shì)基于花柱卷曲性物種兩型在P/O比上的差異(Wangetal.,2004),Pannell和Verdu(2006)認(rèn)為這可能提示了某種程度的性別特化。在7種山姜屬花柱卷曲性植物中,上舉型單花花粉量和P/O顯著高于下垂型,Wang等(2004)據(jù)此推測(cè)花柱卷曲性植物處于從雌雄同體到雌雄異株變遷的中間狀態(tài)。Takano等(2005)討論了花柱卷曲性植物Alpinianieuwenhuizii的性別特化問(wèn)題,提出上舉型花功能偏雌而下垂型花功能偏雄。這一性別特化的理由包括:1)傳粉者在上午有較高的拜訪頻次。2)相比于上舉型植株,下垂型植株有較低的坐果率和較多的花數(shù)。這是因?yàn)橄挛缟吓e型植株花粉散布受到下垂型花粉的干擾,同時(shí)這也降低了下垂型植株的雌性功能,所以在同型內(nèi)植株中下午的功能性別的效力低于上午的功能性別。根據(jù)Bateman法則,雌性功能更多地受資源限制,而雄性功能則受制于交配機(jī)會(huì)(Burd,1994)。在異型雌雄異熟植物GrayiaBrandegei中研究發(fā)現(xiàn),雄先熟型的雌性功能頻繁地受制于生境中的資源而經(jīng)歷更大的選擇壓力,因而兩型繁殖成功的差異在很大程度上歸結(jié)于雄先熟型個(gè)體減少雌性功能。這種資源限制對(duì)雄先熟型雌性功能的選擇可能導(dǎo)致異型雌雄異熟通過(guò)雄全異株作為過(guò)渡狀態(tài)而進(jìn)化為雌雄異株(Pendletonetal.,2000)。然而,我們的研究并未發(fā)現(xiàn)兩型在繁殖指標(biāo)間存在差異。這提示在繁殖進(jìn)程中,可