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澳大利亚北部稀树草原生物群系中的桃金娘科物种具有多种多样的萌生结构——对火适应的意义

期刊:Australian Journal of BotanyDOI:10.1071/bt10107

本文属于类型a,即单项原创研究的学术报告。以下是根据文档内容撰写的综合报告。

本研究由G. E. Burrows、S. K. Hornby、D. A. Waters、S. M. Bellairs、L. D. Prior和D. M. J. S. Bowman共同完成。第一作者和通讯作者G. E. Burrows来自澳大利亚查尔斯特大学土地、水与社会研究所,其他作者分别来自查尔斯·达尔文大学环境与生命科学学院和塔斯马尼亚大学植物科学学院。该论文于2010年发表在*Australian Journal of Botany*第58卷第493至507页。

论文的研究背景建立在对澳大利亚南部桉树(eucalypts)特殊萌生结构(epicormic structure)的认识之上。已有研究表明,南澳桉树具有一种不寻常且明显适应火灾的萌生结构,其芽形成分生组织位于树皮最内层甚至最外层木材中,能够利用整个树皮厚度作为隔热保护,从而在较高强度火灾后仍能通过树干和枝条的萌生芽进行更新。相比而言,世界范围内大多数树木的萌生芽通常位于树皮表面附近,极易在火灾中被高温杀死。澳大利亚北部热带稀树草原(savanna)中的桃金娘科(Myrtaceae)植物种类丰富,且该地区的火 regime 通常为高频低强度地表火,冠火较少。因此,作者提出两个假设:第一,北澳桉树可能具有比南澳桉树防火保护程度更低的萌生结构;第二,分布于雨林和红树林的桃金娘科物种可能几乎没有或完全没有防火保护的萌生结构。研究目的是通过解剖北领地多种桃金娘科植物的萌生结构,检验上述假设,并在更广泛的分类和生态背景下理解桉树萌生结构的演化意义。

研究材料涵盖了来自11个属的21种桃金娘科植物。研究对象包括了7种桉树(分别属于*Eucalyptus*属的 Symphyomyrtus、Minutifructus 和 Eudesmia 亚属,以及*Corymbia*属的 Corymbia 和 Blakella 亚属),还包括与桉树亲缘关系较近的*Allosyncarpia ternata*和*Stockwellia quadrifida*,以及其他属的代表种如*Lophostemon lactifluus*、*Xanthostemon paradoxus*、5种*Syzygium*、2种*Melaleuca*、*Osbornia octodonta*、*Verticordia cunninghamii*和*Calytrix exstipulata*。这些物种的生境类型包括稀树草原、河岸、雨林、沼泽和红树林。对于除*S. quadrifida*外的所有物种,从达尔文周边100公里范围内的自然个体或栽培树木上采集了2至4个个体的小直径枝条,枝条直径范围大多在1至10厘米之间,树皮厚度为0.5至8毫米。*S. quadrifida*的材料来自昆士兰州东北部阿瑟顿地区的CSIRO树木园。在实验室中,研究者将包含萌生束(epicormic strand)的组织从树皮表面一直切至次生木质部数毫米深处,并放入固定液。对于大多数物种,可以根据树皮表面的微小不规则性判断萌生束的外部位置。对于树皮表面无明显特征的*Melaleuca*种类,则需要逐层剥离纸质树皮,直到在靠近木材表面的活树皮中发现萌生束为止。每个个体至少解剖固定12个萌生束,其中至少6个进行连续切片,通常采用横切面(transverse section, ts)和径向纵切面(radial longitudinal section, rls)两种切面方向。样品经FAA固定、乙醇梯度脱水后,用Leica Historesin树脂包埋,在60°C下聚合过夜。使用装有碳化钨刀刃的Leica RM 2265电动回缩式切片机切出5微米厚切片,经0.5%甲苯胺蓝染色后在明场显微镜下观察。对于难以定位萌生结构的*O. octodonta*,还检查了叶腋结构以了解腋芽的发育情况。

研究结果显示,北澳桃金娘科植物的萌生结构具有极其丰富的多样性,其变异程度超过了以往在任何其他科中记录到的水平。在桉树(*Corymbia*和*Eucalyptus*)中,萌生束由多条狭窄、径向排列的具有分生组织外观的细胞条带组成。这些分生组织条带在横切面上呈现为宽约75至150微米、高约40至60微米的半球形或扁平至凹面形的结构,其外侧紧邻一个小的空腔。在径向纵切面上,这些条带从最外侧木质部一直延伸至树皮中部甚至更外层。部分物种中可观察到微小的芽原基与分生组织条带相连,但芽原基极小且完全被包埋在萌生束组织中。所有研究的北澳桉树均具有与南澳桉树相同的这种特殊萌生结构,尽管它们在分类、地理分布和形态上差异显著。与桉树亲缘关系很近的*Allosyncarpia ternata*和*Stockwellia quadrifida*则显示出完全不同的结构。*Stockwellia*的萌生束在树皮内层至中层表现为一个约900微米宽、1900微米高的椭圆形薄壁细胞区域,芽形成潜力来源于树皮表面下方的微小芽原基。*Allosyncarpia*的萌生束在树皮内层呈约1200微米宽、1600微米高的近圆形结构,其内部为复杂的小型薄壁细胞和小细胞团,周围似乎有一圈形成层状细胞。在*Allosyncarpia*的四个个体中,有两个仅具有位于树皮表面下方的小芽,另两个个体则部分萌生束既具有表面芽,又具有位于树皮中至外层的分生组织条带结构。*Lophostemon lactifluus*的萌生结构表现为相对较大的木质突起,其顶端有几个较小的突起,每个小突起顶端与一个位于最外层树皮的芽原基相连,木质突起内部没有芽原基或分生组织。*Xanthostemon paradoxus*的芽原基位于树皮表面一个狭窄凹陷的基部,凹陷内部充满木栓细胞。所有五种*Syzygium*均具有位于树皮内层至中层的非分生组织性萌生束和位于最外层树皮的小芽。*Melaleuca nervosa*和*M. viridiflora*的树皮超过80%的厚度由多层干燥纸质树皮组成。活的萌生束不延伸至这些死树皮层中,芽形成组织位于最内层活树皮中,其外侧覆盖着厚厚的纸质死树皮。*M. nervosa*的每个萌生束在木材表面形成小的木质刺,芽原基位于木质刺顶端的最内层树皮中。*M. viridiflora*则具有多个小芽原基和分生组织,部分分生组织可延伸至最内层的死树皮。*Verticordia cunninghamii*的萌生束内部没有芽原基或分生组织,每个萌生位置只有一个位于外层树皮的芽。*Calytrix exstipulata*在次生木质部最外层和极薄的树皮中均具有芽和分生组织条带。*Osbornia octodonta*是唯一一种完全未发现萌生芽或分生组织的物种,其腋芽在枝条生长约30厘米后即变得衰败,且在树皮和木质部中均未发现萌生结构。综合来看,这些结果将这些物种的萌生结构划分为多个离散类型:位于木质刺顶端的表面芽、树皮表面附近的芽、位于树皮凹陷基部的芽、位于形成层表面附近并被多层纸质树皮覆盖的芽或分生组织、从外层木材延伸至外层树皮的径向分生组织条带,以及无萌生芽和分生组织。

从生态学角度看,稀树草原物种的萌生结构总体上比雨林物种受到更好的防火保护。桉树和*Melaleuca*虽然具有完全不同的萌生结构,但都能将芽形成分生组织置于形成层表面附近,利用全层树皮作为隔热层。研究发现,北澳桉树并未如最初假设的那样具有比南澳桉树保护程度更低的萌生结构,而是与南澳桉树完全一致。这一结果说明,即使在当前低频低强度火 regime 下,桉树特殊的防火萌生结构也未被选择淘汰。此外,*Allosyncarpia*部分个体中同时存在表面芽和类似桉树的分生组织条带,这一中间状态支持了桉树型萌生结构可能起源于雨林近缘类群的假说。*Osbornia octodonta*完全没有萌生结构,这可能与其所在的红树林生境几乎不受火灾影响且林下个体受热带气旋破坏较小有关,从而降低了从老枝上萌生更新的选择压力。

本研究的科学价值在于首次基于科级和生态学视角系统调查了桃金娘科植物的萌生结构多样性。研究揭示,北澳桃金娘科在萌生结构上表现出极为广泛的解剖学变异,远超以往对其他科的研究结果。这一发现强调了桃金娘科在澳大利亚长期火历史背景下对萌生更新策略的多样化适应。研究还表明,桉树型萌生结构在桉树属的三个主要分支中高度一致,说明该结构可能在桉树类群分化早期就已演化形成,并在数百万年的火环境中持续受到选择。应用价值方面,该研究为理解澳大利亚北部稀树草原和雨林树种的火灾响应差异提供了解剖学基础,对火灾管理和植被恢复具有参考意义。

本研究的亮点包括:首次在科级水平上比较了多种生态型桃金娘科植物的萌生结构;确认了北澳桉树与南澳桉树具有相同的防火适应结构,否定了最初的假设;在*Allosyncarpia*中发现了介于普通表面芽和桉树型分生组织条带之间的过渡结构,为理解桉树防火萌生结构的演化路径提供了重要线索;并首次描述了*Melaleuca*特有的将芽形成组织深埋于厚层纸质死树皮之下的结构类型。此外,*Osbornia octodonta*作为唯一缺乏萌生结构的物种,为理解选择压力与萌生结构丧失之间的关系提供了对比案例。

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