Multivariate distribution of spatial structure parameters of Populus davidiana-Betula platyphylla secondary forest
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摘要:目的 运用林分空间结构参数多元分布，系统描述和分析金沟岭林场两种起源（造林失败地天然更新和火灾迹地天然更新）的杨桦次生林林分空间结构特征，为森林经营管理和林分结构优化调整提供有力手段，以期促进林分演替。方法 每木调查和空间定位6块样地（面积均为30 m × 30 m）的林木。利用RStudio forestSAS包计算各样地的空间结构参数，包括角尺度、大小比数、混交度和密集度，统计各起源的频率分布，运用Origin 2018建立结构参数的多元分布图。结果 杨桦次生林的零元分布表明，两种林分整体呈聚集分布、混交较好的中庸生长状态，而起源Ⅱ较起源Ⅰ密集；一元分布表明，林分内大多数林木呈混交良好、密集或很密集、各大小比数等级占比相近的随机分布。分树种来看，起源Ⅰ中，山杨生长发育良好，绝大多数处于优势及亚优势生长状态；白桦、水曲柳和枫桦整体上均大致处于中庸生长状态。起源Ⅱ中，山杨和白桦优势木多，劣势木少，总体生长发育良好。二至四元分布表明，结构参数的各种组合下，林木大多表现为混交良好或随机分布状态。结论 相较于传统的利用结构参数零元分布和一元分布描述林分空间结构，运用多元分布描述杨桦次生林林分结构特征是对其经营管理和结构优化的有效方法，蕴含的信息更为丰富和清晰。同时，也是具有可操作性的采伐木遴选方法。Abstract:Objective This paper aims to systematically describe and analyze the spatial structure characteristics of Populus davidiana-Betula platyphylla secondary forest of two origins (natural regeneration of failed afforestation area and fire slash) in Jingouling Forest Farm, Jilin Province of northeastern China using multivariate distribution of stand spatial structure parameters, so as to provide powerful means for forest management and optimization of stand structure and promote forest succession.Method Six sample plots (30 m × 30 m) of trees were surveyed and located. RStudio forestSAS package was used to calculate the spatial structure parameters, including uniform angle index, neighborhood comparison, mingling degree and crowding degree of each sample plot, and calculate the frequency distribution of each origin, using Origin 2018 to establish multivariate distribution map of structural parameters.Result The average values of Populus davidiana-Betula platyphylla secondary forest showed that the two kinds of forests were in the middle growth state of aggregation distribution and good mixture, while origin Ⅱ was denser than origin Ⅰ. The univariate distribution showed that most of the trees in the forests were randomly distributed, well mixed, denser or very denser, and each neighborhood comparison occupied nearly. In origin I, Populus davidiana grew well, most of them were in the dominant and sub-dominant growth state, while Betula platyphylla, Fraxinus mandshurica and Betula costata were generally in the middle growth state. In origin II, Populus davidiana and Betula platyphylla had more dominant trees and less inferior ones, and they grew well in general. Among the univariate distribution, trivariate distribution and quadrivariate distribution, it showed that under various combinations of structural parameters, most of the trees were well mixed or randomly distributed.Conclusion Compared with the traditional use of structural parameters of average values and univariate distribution, the use of multiple distribution to describe the structural characteristics of Populus davidiana-Betula platyphylla secondary forest is an effective method to optimize its management and structure, which contains more abundant and clear information. At the same time, it is also an operable method for selection of cutting woods.
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赤霉素（GAs）是一种重要植物激素，在植物整个生命周期中对生长发育的各个阶段具有广泛的调控作用[1-2]。GAs通过促进细胞分裂和细胞伸长[3-6]进而促进茎部节间的伸长生长。李哲馨[7]的研究表明GAs在烟草茎部形成层发挥重要作用，对植株生长和木质部发育具有明显的促进作用。因此，GAs代谢调控在速生林林木育种中具有重要的应用潜力；然而，以往的研究都是基于施加外源活性GAs或全株组成型调控GAs含量的分析，并没有考虑活性GAs在活体内的运输特性对研究结果的影响，有研究表明移动的GAs对茎的次生生长与木质部形成层的发育具有直接的促进作用[8]。另外，由于GAs参与调控多个发育过程，特异下调茎部GAs含量在延缓茎部生长的同时，也会抑制不定根的发生[9]，影响根尖的径向生长[10]。有研究表明茎部GAs在低温胁迫的响应过程中具有反馈调控作用[11-12]，因此，开展对茎部特异性GAs含量的调控研究，为GAs代谢调控植物生长发育在林木育种中的实际应用提供理论基础。
形成层位于木质部和韧皮部之间，是一种重要的分生组织，细胞分裂旺盛，向外分裂形成新的韧皮部细胞，向茎的中轴方向分裂形成新的木质部细胞，大量调控木材合成的基因在此过程中表达[13]。研究发现在形成层细胞分裂时，GAs加快了形成层细胞的分裂速度,促进了细胞的伸长,从而促进导管及筛管的伸长[14]。此后的研究中进一步证实了形成层GAs对植株生长发育有促进作用，但在外源施加GAs时，尚不能排除由于植物组织损伤而造成植株自身激素含量变化的误差，并且植物某一发育时间或某一组织中的外源激素含量的测定也难以精准，给实验带来很多不确定性[15]。因此，特异性降低植物形成层GAs含量对植物生长发育的调控作用有待于进一步深入研究。
已有研究表明，在植物体内自由运输的可能并不是活性GAs，而是其前体GA12[16]。植物嫁接是研究活性物质长距离运输特性的有效手段[17]。本实验通过嫁接不同激素含量的转基因植株及野生型WT植株再配合外施赤霉素进行实验分析，验证活性GAs在烟草中的运输机制，更深入地探讨组织特异性GAs含量对植株生长发育的调控作用，对今后GAs调控植物各组织发育的研究具有重要意义，为林木速生优质新品种定向培育策略的制定提供理论基础。
1. 材料与方法
1.1 实验材料
以本实验室遗传转化获得的烟草转基因株系LMX5:: PtGA2ox1、35S:: PtGA20ox、35S:: PtGA2ox1及野生型烟草为研究材料（其中35S:: PtGA20ox、35S:: PtGA2ox1来自林木遗传育种实验室的保存材料），分别记作L:G2、35:G20、35:G2与WT。PtGA2ox1基因克隆于毛白杨，转基因受体为野生型烟草W38株系（Nicotiana tabacum cultivar Wisconsin 38）。所有植物材料均在不含任何激素的MS培养基上，组培室温度为25 ℃，光照周期为16 h光照/8 h黑暗，将继代培养2月苗龄的生根苗移栽到温室，在30 ℃自然光照下培养。
1.2 烟草形成层赤霉素特异性调控转基因株系的获得
用毛白杨的成熟叶片提取高质量RNA，反转录获得cDNA，再以cDNA为模板克隆赤霉素代谢中的关键基因PtGA2ox1，构建表达载体LMX5::PtGA2ox1，并转化表达载体到农杆菌中。通过农杆菌介导的转基因技术获得以木质部形成层特异性启动子（LMX5）启动的烟草转基因株系L:G2[18]。
1.3 基因表达分析及GAs含量的测定
分别提取转基因烟草L:G2、35:G2及WT植株茎部、叶片和根部组织的总RNA，反转录得到cDNA，根据差异片段序列设计引物，半定量RT-PCR反应条件：95 ℃变性3 min，随后进行以下40个循环：95 ℃变性3 s，60 ℃退火20 s，72 ℃延伸30 s。以Actin为内标基因，扩增引物序列为FW：5′-CACAAGCCAGCACTTCAACAG-3′，RV：5′-ATGCCTTAACCAGGAGGTGC-3′。将每个扩增反应做3次重复实验，每次均设置阴性对照，并利用软件Bio-Rad CFXManager 2.0读取相关数据。
分别取组织培养30 d的35:G20、35:G2、L:G2与WT植株的叶、茎、根3个部位的样品各3 g，将其放在研钵中进行研磨，用LC-MS（液相色谱−质谱联用仪）对样品进行测定分析[19]，每个样本进行3次重复实验。
1.4 烟草的微嫁接
以35:G2烟草转基因株系的顶芽作接穗、35:G20植株茎杆的一段作砧木，从砧木的横截面中心向下垂直的劈开切接口，使劈口长度与接穗的削面相吻合，再用锡箔纸将接穗与砧木紧密包裹，得到以35:G2为接穗，35:G20为砧木的独立嫁接苗（以下写作为35:G2//35:G20），以同样方法分别获得嫁接苗35:G20//35:G2、35:G2//WT以及WT//WT。
1.5 植株各部分生长性状的测定
挑选培养45 d的无菌生根苗L:G2、35:G2、35:G20与WT，分别对其茎部进行切片，用0.5%番红染液染色后对木质部进行显微观察并拍照。
将烟草转基因株系L:G2、35:G2和35:G20的顶芽扦插在无激素的MS培养基上，设置WT为对照，培养20 d后对各组的生根情况进行观察，再从4组株系中各选取30株，对其不定根的长度进行测量，计算平均值后与对照组一同进行t检验。
2. 结果与分析
2.1 转基因株系的获得及基因表达分析
通过农杆菌介导的转基因技术获得了以木质部形成层特异性启动子LMX5介导的烟草转基因株系L:G2，提取植株的DNA进行PCR扩增反应进行初步鉴定，成功获得21个转基因株系，与野生型WT相比，转基因植株（图1A）生长矮小，不定根数目减少，差异明显。
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图 1 不同烟草植株及基因表达水平A是不同烟草植株，标尺长度为1 cm；B是转基因株系各组织中PtGA2ox1基因的表达水平；C是转基因株系不同组织中烟草NtGA2ox1基因本底表达水平，将35:G2植株中的PtGA2ox1基因的表达量设置为1。A is different tobacco plant with a scale length of 1 cm; B is the expression level of PtGA2ox1 gene in each tissue of transgenic lines; C is the background expression level of tobacco NtGA2ox1 gene in different tissues of transgenic lines, which will be in 35:G2 plants, the expression level of the PtGA2ox1 gene was set to 1.Figure 1. Different tobacco plants and gene expression levels通过测定转基因烟草L:G2、35:G2外源基因的表达水平（图1B、1C），发现L:G2、35:G2转基因植株的表达模式不同，PtGA2ox1转录水平只在L:G2的茎部出现了明显的上升趋势，而叶片和根部的上升趋势不明显。通过测定转基因烟草的叶片、根部及茎部中NtGA2ox1基因的本底表达水平，发现转基因烟草株系L:G2在叶片和根部受自身调控的NtGA2ox1基因表达水平与野生型WT对照比并无明显变化，而茎部NtGA2ox1基因的表达水平和野生型WT相比却明显降低；同时发现转基因烟草株系35:G2各组织中的NtGA2ox1基因表达水平与WT相比均有明显的下降。
在烟草中，主要活性赤霉素GA1在L:G2的茎部含量明显低于野生型WT植株，而非活性的GA8在茎部的含量与WT相比有显著的提高（图2）；而转基因株系35:G20与WT相比，根、茎以及叶片内活性GAs（主要是GA1）含量显著提高，即植株整体GAs含量上调（图2）；转基因植株35:G2茎、叶部分的活性GAs含量均有显著的下调，而非活性GAs含量增多，植株整体GAs含量下调，可能是GAs含量下降负反馈调节导致活性GA2-氧化酶含量下降 （图2）。
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图 2 转基因植株根部、茎部、叶片中GAs的含量A. 转基因植株根部GAs的含量；B. 转基因植株茎部GAs的含量；C. 转基因植株叶片中GAs的含量。A, content of GAs in roots of transgenic plants; B, content of GAs in the stem of transgenic plants; C, content of GAs in leaves of transgenic plants.Figure 2. GAs content in stems, roots and leaves of transgenic plants2.2 活性GAs在烟草茎中的运输特性
对35:G20//35:G2、35:G2//35:G20、及WT//WT 3组嫁接苗进行观察，发现接穗和砧木的表型性状与其各自基因型植株的性状并无较大差异（图3）。表明35:G20植株体内产生的大量活性GAs无法在嫁接植株中自由转运到35:G2中，而35:G2植株中的GA2-氧化酶也无法转化35:G20中的大量活性GAs；但培养在添加有GA4+7培养基中的WT//WT嫁接植株，相同生长时间内接穗和砧木的性状都受GAs影响，与35:G20表型相似，均表现为生长迅速，节间和叶片快速伸长，叶片颜色呈浅绿色细长的状态。
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图 3 不同基因型组成的嫁接苗和不同基因型的烟草植株A.普通MS培养基中的WT//WT嫁接植株; B.添加有GA4+7的WT//WT嫁接植株; C.普通MS培养基中的35:G2//35:G20嫁接植株; D.普通MS培养基中的35:G20//35:G2嫁接植株; E.不同基因型的烟草植株。箭头代表嫁接处；A ~ D标尺长度为2 cm；E标尺长度为1 cm。The E scale is 1 cm in length; A,WT//WT grafted plants in normal MS medium; B,WT//WT grafted plants with GA4+7 were added; C, G2//35: G20 grafted plants in normal MS medium; D, 35:G20//35:G2 grafted plants in normal MS medium; E,different genotypes of tobacco plants. The arrow represents the graft; the A−D scale is 2 cm in length.Figure 3. Grafted seedlings of different genotypes and tobacco plants of different genotypes2.3 下调烟草形成层GAs对茎部木质部生长发育的影响
通过转基因方法上调GAs含量促进植株（35:G20）生长，而下调GA含量的植株（35:G2、L:G2）生长缓慢[7]，且下调植株整体GAs含量（35:G2）与特异下调形成层中的GAs含量对植株（L:G2）木质部发育的影响程度相似，说明植株GAs含量下降会使木质部的生长发育变延缓，植株的伸长生长也会受到抑制。通过茎部切片观察（图4），发现上调植株内源GAs含量（35:G20），木质部成熟提前，细胞排列整齐紧密且层数增加；下调GAs含量（35:G2、L:G2），木质部分化滞后，成熟缓慢，依据染色区域的大小发现同时期茎部相同位置的初生木质部多于WT，且细胞排列疏松不规则（图4）。转基因植株35:G2与L:G2无论是茎顶部亦或是茎基部组织中木质部的形成与发育的滞后程度、木质部细胞的排列方式等都极为相似，且下调木质部形成层的GAs含量可以达到下调植株整体GAs含量对木质部发育的影响，说明GAs影响植株木质部生长发育主要是在其形成层中发挥作用，形成层中的GAs含量对植株木质部的生长发育起关键作用。
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图 4 内源调控GAs含量对植株木质部发育的影响PV. 初生导管组织；C. 形成层；X. 木质部；P. 韧皮部。标尺长度为100 μm。PV, primary ductal tissue; C, forming layer; X, xylem; P, phloem. Scale length is 100 μm.Figure 4. Effects of modification of endogenous GAs levels on xylem development2.4 下调烟草形成层GAs对叶片生长的影响
对转基因植株和WT的叶片进行观察，发现L:G2和35:G2的叶片均呈墨绿色且生长紧密，且L:G2的叶片数有一定增加（图5）。此外，L:G2的叶片与其他株系相比出现生长不对称和皱化的现象，推测可能是形成层内GAs含量的变化调控了植株木质部的生长，根据叶片面积发生的明显变化判断当特异性降低形成层GAs的含量时延缓了叶脉的正常发育（图5）。
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图 5 内源调控GAs含量对植株叶片发育的影响每行分别为各植株的全株叶片；标尺长度为1 cm。Each row is the whole plant leaf of each plant; the length of the scale is 1 cm.Figure 5. Effects of endogenous regulation of GAs content on leaf development of plants2.5 下调烟草形成层GAs对不定根的影响
与对照组相比，不定根的数量在不同程度上均有所减少（图6A），通过t检验，发现其在0.01水平上差异显著，说明GAs含量的升高或降低对不定根的发育均有显著影响[9]。L:G2株系和35:G2株系不定根的生根性状在不定根数量和长度方面均相似（图6A、6B），表明特异性降低形成层中GAs的含量与降低植株整体GAs的含量对植株不定根的发育影响程度几乎相同，即木质部形成层中的活性GAs的含量是影响不定根发育的主要因素之一。
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图 6 内源调控GAs含量对植株根生长发育的影响A、B为野生型和转基因植物不定根的平均数量和平均长度；C ~ F为不同转基因型植株根部，标尺长度为1 cm。C为WT株系；D为35:G2株系；E为35:G20株系；F为L:G2株系。A, B, the number and length of average adventitious roots of wild-type and transgenic plants. C−F, roots of different transgenic plants, the length of the scale is 1 cm. C, WT strain; D, 35: G2 strain; E, 35: G20 strain; F, L: G2 strain.Figure 6. Effects of endogenous regulation of GAs content on root growth and development of plants在植株的侧根生长性状方面（图6C ~ 6F），L:G2株系几乎没有侧根产生，而35:G2的侧根与野生型WT相比有明显的增多，进一步说明特异性下调形成层内活性GAs含量对植株生长发育具有一定的调控作用，会抑制侧根的发生。
3. 讨 论
已有研究表明，赤霉素对茎部形成层、根尖的生长[9]及抗低温胁迫都有调控作用，可促进植物的生长[11-12]，然而相关研究皆是以施加外源GA3或上调GAs含量为实验依据，以全株组成型调控赤霉素含量进行分析，未考虑活性赤霉素在活体内的运输特性对研究结果的影响。本研究通过对转基因及野生型烟草进行大量的观察与分析，发现特异性下调形成层赤霉素含量对植物的生长会有一定影响，如叶片不能正常伸展，木质部发育延缓，侧根和不定根的发生也会受到抑制。说明特异性调控植物局部的GAs含量对植株整体的生长发育造成了影响，且特异下调形成层区域的GAs可以达到下调植株整体GAs对木质部发育影响的效果，表明GAs在形成层中发挥了关键调控作用。
此外，利用烟草微嫁接技术将两种不同基因型的烟草嫁接后依然能生根并进行营养生长，且接穗与砧木的生长表型分别与其自身表型相同，说明活性内源GAs并不能在二者之间自由运输；而将WT//WT嫁接苗在添加有GA4+7的培养基中培养，发现嫁接苗的接穗与砧木都表现为GAs含量上调植株的表型，说明了外源的GAs通过根部吸收后，又可在体内自由运输。从以上两种结果可以判断，内源GAs和外源GAs在植物体内的运输途径可能不同，外源施加的活性GAS可能并不是通过主动运输而是通过导管组织随矿物质进行运输，而内源激素是通过形成层进行运输，这就是为什么微嫁接后内源活性GAs无法在植物体内自由运输的原因，具体机制有待于进一步的深入解析。本研究系统地证实了特异性调控形成层GAs含量在植株生长发育调控中的重要作用，为茎部赤霉素含量对植物生长发育的特异性调控机制的研究提供了理论基础，特别是赤霉素对木质部分化的特异性调控作用,为其在林木育种中的实际应用提供了依据。
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表 1 两种起源林分概况
Table 1 General situation of two original stands
样地号
Sample
plot No.坡位
Slope
position坡度
Slope degree/(°)海拔
Altitude/m平均胸径
Mean
DBH/cm平均树高
Mean tree
height/m树种组成
Tree species
composition林分密度/
(株·hm−2)
Stand density/
(plant·ha−1)郁闭度
Canopy
density平均冠幅
Average
crown
width/m起源
Origin1-1 下
Downside2 830 12.5 13.4 4杨2白2水 + 椴 + 红 + 桤 + 旱 + 色−榆−枫−冷−桃−槐 1 733 0.73 1.4 起源Ⅰ
Origin Ⅰ1-2 下
Downside3 860 12.5 11.9 4杨2白2水 + 枫 + 椴 + 红 + 旱 + 云 + 色−榆−槐−冷 1 633 0.77 1.4 起源Ⅰ
Origin Ⅰ1-3 下
Downside3 830 12.9 12.2 2杨2水1白1云1红1枫 + 旱 + 冷 + 椴−栎−色−槐 1 522 0.65 1.8 起源Ⅰ
Origin Ⅰ2-1 中
Middle18 740 13.6 14.6 5白3杨 + 椴 + 色−桃−落−榆 1 532 0.63 2.2 起源Ⅱ
Origin Ⅱ2-2 中
Middle16 740 13.8 14.1 3杨3白1色1椴 + 桃 +
水−旱−榆1 335 0.71 2.5 起源Ⅱ
Origin Ⅱ2-3 中
Middle13 750 14.8 12.3 3杨3白3椴1色 + 枫−黄 1 202 0.72 2.6 起源Ⅱ
Origin Ⅱ注：杨代表山杨，白代表白桦，水代表水曲柳，椴代表紫椴，红代表红松，桤代表东北桤木，旱代表旱柳，色代表色木槭，榆代表榆树，枫代表枫桦，冷代表臭冷杉，桃代表山桃，槐代表山槐，云代表鱼鳞云杉，栎代表蒙古栎，落代表落叶松，黄代表黄檗。Notes: 杨 represents Populus davidiana, 白 represents Betula platyphylla, 水 represents Fraxinus mandshurica, 椴 represents Tilia amurensis, 红 represents Pinus koraiensis, 桤represents Alnus mandshurica, 旱 represents Salix matsudana, 色 represents Acer mono, 榆 represents Ulmus pumila, 枫 represents Betula costata, 冷 represents Abies nephrolepis, 桃 represents Amygdalus davidiana, 槐represents Albizia kalkora, 云 represents Picea jezoensis, 栎 represents Quercus mongolica, 落 represents Larix gmelinii, 黄 represents Phellodendron amurense. 
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表 2 两种起源林分的空间结构参数平均值
Table 2 Average values of spatial structure parameters of two original stands
起源
Origin空间结构参数 Spatial structure parameter 角尺度
Uniform
angle index大小比数
Neighborhood
comparison混交度
Mingling
degree密集度
Crowding
degreeⅠ 0.559 3 0.489 6 0.653 0 0.458 5 Ⅱ 0.558 5 0.501 6 0.621 3 0.685 3
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