广西石灰岩洞穴植物群落系统发育多样性模式和机理研究

The plant diversity and endemism under the special limestone cave habitats are more and more concerned, and numerous limestone cave endemic and rare new species have been and are being persistently described. However, it is still remained unexplored for the origin and speciation of the cave species and the establishment and maintenance of the plant community under these special habitats remain unknown either. In the present study, we focus on the limestone cave plants in Guangxi, and employ the approaches of community phylogeny to study the pattern of phylogenetic diversity and rule of its variations, and then unravel the interspecific coexistence, speciation process of the cave endemic species, and interaction between the cave habitats and the involved plants, upon the combined evidence of environmental factors, plant morphology and evolutionary histories of the representative plant groups (e.g. Primulina and its allies in Gesneriaceae) which possess numerous cave endemic species. The present study will not only test the generality of the theories and hypotheses proposed in community ecology and evolutionary biology to the limestone cave plants, but also provide theoretic foundation and applicable guidance for scientifically evaluating the effect of limestone caves on plant conservation and making pointed conservation strategies.

岩溶洞穴特殊生境下植物多样性和特有性已越来越多地受到关注，近年来许多珍稀特有的洞穴植物物种被不断地发现和报道。然而，对于洞穴植物起源和形成过程、洞穴植物群落的建成和维持机制等则缺乏研究。本研究将以广西岩溶洞穴植物为研究对象，运用群落系统发育的研究方法，探讨岩溶洞穴植物群落的系统发育多样性模式和变化规律，并结合生态环境因素、洞穴植物形态特征和代表性洞穴植物类群（如苦苣苔科报春苣苔属及其近缘类群）的演化历史揭示洞穴植物物种间的共存机制、洞穴种类的形成过程、以及洞穴生境与洞穴植物间的相互作用。本研究不仅将有助于检验群落生态学和进化生物学提出的一些基本理论和假说对洞穴植物的普适性，而且将为科学评价岩溶洞穴在植物保护中的作用及制定针对性保护策略提供理论基础和现实指导。

本研究运用群落系统发育方法对对广西及其周边24个岩溶洞穴内、外植物群落物种组成、系统发育多样性模式、物种共存机制进行了研究，并探究了洞穴植物群落系统发育结构与降雨量、气温和海拔的关系。取得的主要研究数据和结果包括如下几点。1）共采集2828份分子材料及对应凭证标本，获得6796条遗传序列。2）结合形态和分子对采集到的2828份材料进行鉴定，表明洞穴外群落包含125科383属572种植物，洞穴内群落包含102科244属391种植物，其中202种只发现于调查区域的洞穴中。3）洞穴内、外的物种系统发育多样性与物种丰富度呈显著线性正相关。4）在大尺度物种库和中尺度下洞穴群落的系统发育指数NRI表现为洞穴群落系统发育结构随机，NTI表现为洞穴群落系统发育结构聚集；在小尺度物种库下，洞穴群落系统发育指数NRI和NTI都表现为洞穴群落系统发育随机。5）洞穴群落系统发育结构随降雨量的增加呈现由聚集向发散或聚集程度降低的变化规律；温度对洞穴内的植物群落的系统发育结构没有显著影响，洞穴外群落系统发育结构随着温度的升高呈现出由发散到聚集的变化规律；海拔对洞穴内、外群落的影响却不相同，洞穴外群落系统发育结构随着海拔的升高呈现出由聚集到发散的变化规律，洞穴内群落系统发育结构随着海拔的升高呈现出由发散到聚集的变化规律。6）对比了扩增获得序列和Phylomatic的建树结果，通过扩增DNA条形码建树的方法较为准确和精确，适合精细的群落系统发育研究，Phylomatic方法得到的群落系统发育关系精确程度较低且相对局限。本研究表明：石灰岩洞穴作为特殊生境，其植物群落物种组成和共存机制存在特殊性，在相关研究和保护中发挥着不可替代作用，需要予以关注和保护。本研究为植物群落生态学和系统发育以及相关学科研究提供新案例和启示，还为科学评价岩溶洞穴在植物保护中的作用及制定针对性保护策略提供理论基础和现实指导。