热带木质竹子中的混合配合系统与可变交配模式

背景

到目前为止，很少详细知道关于交配木本竹子的系统。后代的亲子关系改善了我们对这些系统的理解，并促进了它们的种质保护和遗传改善。

结果

在这项研究中，从两个连续的肿块或偶像开花事件的后代父级分析麻membranaceus和D. SINICUS.进行了根据简单的序列重复（SSR）标记的程序殖民地来确定它们的配合系统和花粉分散。两个偶像开花的人群D. SINICUS.(C1, C2)获得较高的父权分配率(69.0-71.4%)。同时，在三个种群中D.黄芪，散发性地开花人口A也具有比大规模开花群体B1（28.6％）和B2（42.5％）更高的父权分配率（56.4％）。两个都D.黄芪和D. SINICUS.具有混合配合系统，同时它们的交配模式取决于授粉条件。最大花粉分散距离为90米和4378米D.黄芪和D. SINICUS.群体分别和这两个物种的交配距离集中在CA的范围内。0-50 m和0-1500 m。

结论

这些结果首次揭示了木本竹的可变交配模式。这表明来自同一竹丛的半同胞种子可能有不同的父本，这对阐明木本竹子育种计划的遗传起源至关重要。结果还表明传粉者在热带木本竹子交配系统中的重要性。

配合系统通常被定义为个体之间的交配模式，主要是指自行或延伸率和基因流动[1那2那3.那4.］．交配系统是控制遗传交换的植物育种系统的关键部分，并在确定植物种群的遗传结构方面发挥关键作用，对植物物种的生存和演化产生深远的影响[2那4.那5.］．同时，交配系统的背景知识有助于我们制定遗传改良策略和制定适当的保护措施[6.］．

Woody Bamboos（Poaceae：Bambusoideae）包括CA.八十属，包括1200多种物种，主要分布在亚洲，美国和非洲的亚热带和热带地区[7.那8.］．木本竹是一种灌木林种，具有重要的经济价值，具有食物、建筑、纸浆等材料，在水土保持中具有重要作用[9.那10.］．木本竹子最引人注目的生物学特性之一与它们不同寻常的开花物候有关[11.那12.那13.那14.］．有两种与开花和配合系统有关的常见的非官方术语。首先，基于木质竹林的起源，竹种通常可以分为野生和栽培物种[12.］．其次，根据花林或种群大小，木本竹开花事件总体上可分为群发和散发两种类型[11.那15.那16.］．Due to outstandingly long vegetative growth periods (ca. 20–150 years) among seed plant and uncertainty of flowering events [11.]到目前为止，关于大多数竹种的交配系统知之甚少[7.那10.那15.]，大大妨碍了他们的种质保护和遗传改善的研究[9.］．

作为用于配合系统的特性，大多数记录木本竹子是dichogamous和先熟，并且通常被认为是风媒物种[11.那16.那17.那18.］．然而，关于竹子是否专为异交动物，人们仍有争议。16.］．在热带的竹子,Dendrocalamus.SPP。展示适合杂交的育种系统[16.那17.那18.］．近年来，对几种野生温带木本竹子进行了亲本分析莎莎cernua(sporadic-flowering [19.]），美国veitchiivar。毛（大规模开花，[20.]） 和Phyllostachys Edulis.(sporadic-flowering [21.]）报道。所有这些研究都基于单一竹开花事件的结果，似乎研究的物种是自相互态的。同时，似乎在散发性的开花事件中呈现自行，同时在大规模开花事件中占优势。

与世界上最木本竹种的地区之一，中国云南省拥有超过230个原生种28属[10.］．2008年至2015年，云南经历了一场旷日持久的严重干旱，许多竹子出现了大量且零星的开花现象[22.那23.］．特别是，质量和零星开花麻membranaceus和零星的开花D. SINICUS.经常被观察到[16.那22.那23.] （图。1）.这为我们研究竹子交配制度的特点提供了良好的机会。

麻membranaceus主要分布在澜沧江湄公河山谷中，包括缅甸，老挝，泰国和中国云南省，海拔500-1000 m [24.］．在云南,D.黄芪经常成长为大型自然森林，总占地面积约的区域30000 HM²，是中国最大的天然竹林[24.］．作为蔬菜作物和家具、建筑和工业纸浆的原料，本种具有重要的经济价值[7.］．Dendrocalamus sinicus.云南西南部的特有于500-1800米，以其世界上最强大的玉米棒而闻名，以至于它是生产木材的重要竹种[10.］．Dendrocalamus sinicus.是当地佤族或傣族人在云南种植的。

在我们以前关于野生授粉和育种系统的研究D.黄芪人口和培养D. SINICUS.人口基于形态学观察和手授粉实验，我们推断两者都是自相互得的，主要是令人难以置信的[16.］．在这里，我们调查了这两个典型的热带木质竹子，即野生的群众或散发性开花群的配合系统D.黄芪和培育D. SINICUS.基于两个连续开花事件的数据，利用SSR分子标记。我们使用COLONY程序进行了父系分析[25.[估计自行性和拓展率，男性生殖健身和花粉分散在质量和散发性开花群体中D.黄芪和零星的开花种群D. SINICUS.．我们的目标是了解热带木质竹子配合系统的特点，为种质保护和进一步的遗传改进提供科学基础。

交配系统

异型杂交的麻membranaceus和D. SINICUS.使用MLTR进行估计[5.]，结果表明都是D.黄芪和D. SINICUS.占绝对优势异型杂交（表1）.质量开花群体（B1，B2）的多位点异交率D.黄芪分别为1.000，这比零星开花人口较高（吨_m=0.。6.43）。单基因座异交率（吨_S.）人口A最高（T_S.= 0.843)，种群B1最低(t_S.= 0.001)。另一方面，种群B1(t_m-T._S.=0.。9.9.9.）was highest among threeD.黄芪人口，表明人口B1中的个人是近亲。与此同时，人口A具有最低的近亲繁殖（T_m-T._S.=-0.200)，表明杂合子过多。

D.Inicus的旋转开花群（C1，C2）的速度率相对较高，群体C1的多程度和单轨道差异均高于群体C2。群体C1和C2的血液近亲繁殖的值非常低，为0.042和-0.027分别。这表明偶像开花群体中的过量杂合子D. SINICUS.．

亲子作业

父第屈服分配（95％的信心）麻membranaceus和D. SINICUS.基于殖民地[25.的答案见表2，附加文件1：表S1和附加文件2：表S2。低于中度分配率（28.6-56.4%)D.黄芪人口较高的分配率相当高（69.0）-71.4%)发生在D. SINICUS.人口。之中D.黄芪结果表明，种群A的101个后代中有57个(56.4%)属于最可能的父本，43个(42.6%)属于异交，表明种群A的交配方式以异交为主。种群B1内，雄性亲本为100O.350个子代(28.6%)中，78个子代(22.3%)来自异交。在B2群体的240个后代中，102个(42.5%)被成功分配给其父本，其中自交后代56个，异交后代46个，表明自交可能是该群体的主要交配方式。

为了D. SINICUS.种群中，C1组有87个子代(69.0%)，C2组有95个子代(71.4%)2）.它们中，62.7％的人口C1的后代被鉴定为自交而只有20.3％的后代被鉴定为自交和51.1％，如在人口C2异交，表明不同的配合图形的零星开花种群内发生D. SINICUS.．

花粉散布距离与雄性生殖贡献

根据父权分配结果，我们分析了5个居群中每个开花丛的雄性生殖贡献(表)3.）.在人口A中，最大的生殖贡献来自Clump A4（42.1％），它产生了24个后代。对于人口B1，丛生FU4和B2都产生了10个后代，并且具有最大的繁殖贡献（16.4％）。在人口B2中，Clump C5生产了53个后代，并且具有最大的生殖贡献（52.0％）。为了D. SINICUS.居群C1中候选父本群13的生殖贡献最大(73.6%)，产生了64个自交后代。在C2群体内，13B群体产生了66个后代，生殖贡献率为69.5%。

根据亲本分析结果，我们发现，散发性和群发开花种群的最大交配距离D.黄芪分别为72米和90米。另一方面，D. SINICUS.有较长的交配距离(4378米，Table3.）.对于零星开花种群D.黄芪和D. SINICUS.，交配距离主要集中在0 m，表明多数后代为自花授粉或雌雄同体。为大量开花种群D.黄芪，交配距离集中在0范围内-50 m. Over 50 m, the amount of offspring reduced significantly with increasing geographical distance (Fig.2）.

此外，我们没有发现候选父本倾向于特定的母本以产生更多的后代D.黄芪人口，而在偶像开花的人口D. SINICUS.，似乎女性倾向于接受来自最近男性的花粉。例如，聚集13a（雌性）和13b（雄性）产生了43个过度的后代，占人口C2中总延伸后代的63.2％（表3.，附加文件2：表S2）。

配合系统和可变交配模式

植物交配系统是由许多因素，诸如人口密度，花香同步和后授粉机制[影响26.］．一般而言，主要的自行性是木质竹子的偶像开花群体中的普通交配模式[18.那19.那21.那27.]，而优势异交在大量开花种群中很常见[20.］．在这项研究中，根据两年超过2年的连续两个开花事件的数据检测到两个热带竹种的可变交配模式。

在以前的一项研究中，我们推断出来d . membranaceu年代和D. SINICUS.具有优势异交的混合交配系统[16.］．在本研究中，我们证实它们是自相容的。然而，它们的交配模式会随着开花情况或授粉条件的不同而改变。在散发性(2013年种群A)和质量(2013年种群B1)开花种群中均检测到优势异交D.黄芪，而2014年在大规模开花人口B2中发生过占领子。同样，偶像开花群体D. SINICUS.表明在2013年（人口C1）主要自交和优势异型杂交的在2015年（人口C2）的配合模式。

上述观察可能与竹种群的开花丛（或花粉）密度和传粉者的觅食行为（例如蜜蜂）相关联16.那22.那23.］．伍迪竹子通常被认为是风授粉，有些研究表明Dendrocalamus.属二妻制和雌雄同体[16.那17.那-18.那27.］．花期长(约1至2个月)D.黄芪和D. SINICUS.使分株内部和分株之间有可能进行雌雄同体授粉[16.那21.］．大量开花群体比零星开花群体提供更大的花粉密度。另一方面，蜜蜂似乎是很好的传粉者D.黄芪和D. SINICUS.[16.］．2013年经常晴朗干燥的天气有利于蜜蜂授粉。因此种群A和种群B1D.黄芪显示了一个主要的偏移的交配模式。相比之下，开花时期常见的天气D.黄芪2014年干扰风媒和蜂媒，导致种群B2异交率下降。至于D. SINICUS.，2015年的大多数种子（人口C2）在不到1800米的少于开花丛（表3.)，远短于2013年(种群C1)的花簇间隔距离。短距离对蜜蜂有利，相应地增加种群C2的异交机会大于种群C1 [28.］．

对于木本竹子的育种程序，特别是基于种子的程序，可变的交配模式将大大增加父系遗传起源的复杂性。这说明竹子新品种选育的第一步是明确亲本的遗传来源。

父权分配差异之间的差异D.黄芪和D. SINICUS.

两个偶像开花的人群D. SINICUS.(C1, C2)获得较高的父权分配率(69.0-71.4%)。同时，在三个种群中D.黄芪，散发性地开花的人口A也具有比大规模开花群体B1（28.6％）和B2（42.5％）（表格）更高的父权分配率（56.4％）（56.4％）（表2）.因此，很明显，偶像开花群体（A，C1，C2）也显示出比大规模开花群体（B1，B2）更高的父排序率。大规模开花群体的低分配率的主要原因之一D.黄芪在本研究中，候选人父母的诚信是诚信。虽然我们没有发现其他开花丛D.黄芪在2012年至2015年的人口A，B1和B2周围的200米范围内，蜜蜂可能经常参观新鲜的小花[16.]并将外源性花粉携带到群体中，并导致了低分配率（28.6-56.4％）。和....相比D.黄芪那D. SINICUS.通常饶有的开花和播种事件。从2013年到2016年，我们没有观察其他开花丛D. SINICUS.在CA的范围内。人口10,000米C1和C2。因此，我们可能会在群体C1和C2中收集所有候选男性父母，并获得了更高的分配率（69.0-71.4％）。

其实，在自然界自然种群的亲子鉴定低分配率是很常见[29.那30.那-31.］．同样，在植物种群中，当有大量外部花粉来源的输入时，通常报告高比例的未分配后代，特别是风媒传粉的树木[32.那33.那34.那-35.］．因此，具有低分辨率的男性父母和分子标记的缺失数据是低分配率的两种主要原因[36.那37.那38.那39.］．此外，值得注意的是，本研究中对亲子分析的材料来自半SIB种子的幼苗。种子萌发率D.黄芪和D. SINICUS.只是加利福尼亚州。50-80％[40］．因此，这将对亲子鉴定结果产生一定的影响。弱种子或幼苗，特别是自交后代的弱种子或幼苗，被排除在父本分析之外，因此异交率将被人为地扩大[19.］．

花粉分散距离

花粉分散距离有显着差异D. SINICUS.和D.黄芪．Dendrocalamus sinicus.展示了更大的花粉分散距离（4378米）D.黄芪（90米）。同时，与白头的观点不同[41随着女性和男性父母之间的距离增加，交配成功率的概率下降，最佳的交配距离D.黄芪和D. SINICUS.主要专注于各种CA.0.-50米和0-分别为1500 m，雄性生殖适合度高。

花粉扩散距离是由多个因素，如花粉量，花粉活力，授粉活性，天气等的影响[16.那42］．本研究结果结合前人的研究表明，花粉数量和传粉者的活动可能是影响花粉传播距离和雄性繁殖适合度的两个最重要因素D.黄芪和D. SINICUS.．

体外花粉D.黄芪和D. SINICUS.分别在与花枝中分离3小时后仍有38.1和4.8％（杨等数据），以便蜜蜂的游览花卉可以改善花粉分散距离，增强了Geitonogamy和Xenogamy的授粉率[16.］．然而，蜜蜂一般有短暂的飞行范围，所以在人群花粉运动正朝着附近的个人偏见[28.］．此外，大量开花或花粉限制也可能导致短时间的花粉扩散，以改善授粉[42那43那44那-45］．

在我们以前的研究中，我们发现了D.黄芪种群有更密集的花簇和产生更多的花粉比那些D. SINICUS.，授粉限制D. SINICUS.比更为严重D.黄芪[16.］．因此，这些属性可能导致花粉分散的更短D.黄芪人口。在另一方面，虽然D. SINICUS.表现出较远的花粉散布距离和最佳交配距离D.黄芪，可能较好地反映了花簇间的间隔距离D. SINICUS.比那些要远得多D.黄芪．总的来说，总自交率D. SINICUS.(40.9%)明显高于D.黄芪（13.3％，表2）.当外源花粉不足时，自花授粉可以提高结实率，保证一个物种的存活，即生殖保证效应[1那4.那46］．

麻membranaceus和D. SINICUS.显示了混合交配系统和它们的交配模式改变依赖于授粉条件。Dendrocalamus sinicus.有更大的花粉散布距离D.黄芪．交配距离D.黄芪和D. SINICUS.聚焦范围分别为0-50米和0-1500米。这些结果也揭示了诸如蜜蜂等传粉媒介在热带木本竹子交配系统中的重要性。

研究地点和种子收集

开花种群麻membranaceus本文研究了在云南省京红徐币国家自然保护区（XNNR）中出现（图。3.）.丛生和零星开花D.黄芪从2011年发生的2015年[23.］．2013年，我们选择了两个固定地点(A和B)进行观测和种子采集(表1)4.）.Site A (sporadically flowering) was a bamboo-tree mixed forest (bamboo: tree = 9:1), and the area of quadrat was 10 × 100 m²．八个开花的团块分散在55个全丛中（人口A）之间。开花丛彼此不相邻，开花丛之间的距离为16-72米。网站B纯粹D.黄芪森林，Quadrat地区为40×100米²．我们发现了一个小的人口，在2013年和2014年，所有12块丛都开花，并将其视为一种质量开花样本。从2012年到2015年，在这个四边形围绕这一Quadrat的范围内没有观察到其他开花丛。2013年7月，在这个四边形中有七个相邻的团块（人口B1），剩下的五个相邻的丛（人口B2）于7月开花2014年（表4.）.种群B1和B2的花期不重叠。

偶像开花丛D. SINICUS.位于云南省Ximeng县卧龙（图。3.）.2012年11月，观察到四次散阳花丛（人口C1），并于2013年6月收集种子。在几乎在同一地点，另外四块（人口C2）于2015年1月开始开花。

从XNNR或卧晶的四边形的开花丛中收集每种群体（A，B1，B2，C1和C2）的种子，然后用序列号标记（表3.和4.）.花丛标本经杨汉琦博士鉴定，保存于中国林业科学研究院资源昆虫研究所(昆明)植物标本馆。

种子处理

mcclure后面[47[我们将每个丛作为潜在的遗传群和锡克克斯内部的潜在群体。从每个开花丛中收集的种子（表4.）治疗后在温室中播种[40］．幼苗的叶片被取样并用硅胶快速干燥，用于DNA萃取。Quadrats中的每个开花遗传素被鉴定为候选父母，并对DNA提取进行采样它们的叶子。

微卫星分析

使用改良CTAB法[提取基因组DNA48] and dissolved in TE buffer (10 Mm Tris-HCL, pH 8.0, 1 Mm EDTA) to a final concentration of 30–60 ng/L [36.］．我们使用了10和11个微透露的基因座（附加文件3.：表S3）基因型的所有样品麻membranceus和D. SINICUS.分别与软件Genemarker V.2.2.0（Softgenetics，州立学院，PA，USA）。

PCR扩增参照Dong等[37.] 为了D. SINICUS.董和杨[36.] 为了D.黄芪,分别。PCR反应体积为20 uL，包含1.0 uL DNA, 10 uL 2 × Taq PCR MasterMix, 8.6 uL ddH₂O和0.3 uL的每个引物。荧光标记引物与非荧光引物混合。循环条件包括:95°C 3分钟，随后在94°C 30秒34个循环，每个引物对优化退火温度为40秒，72°C为50秒，最后在72°C扩展步骤为6分钟。PCR产物在6%的聚丙烯酰胺变性凝胶上用20 bp的标准分子尺寸阶梯进行银染色(Tiangen, Beijing, China)。

交配系统分析

程序MLTR v3.2 [5.用于评估基于最大可能性的后代阵列的配合系统。以下配合系统参数通过牛顿 - 拉夫逊算法估计：多位异交率（吨_m），单基因座异交率（吨_S.）和累积近亲繁殖（T_m- T._S.）.这些参数的标准差从1000个白手起家评估。

亲子鉴定分析

我们使用该计划殖民地2.0 [25.对散发性开花种群和群发开花种群的后代进行父系分析。错误率模拟多次，直到错误率值不变。我们执行了三次重复运行，每次运行都使用不同的随机数种子。采用雌雄同株、允许近交、二倍体、雌雄多配偶、全似然法、中等长度、中等精度和无更新等位基因频率。根据哈里森的说法，如果结果符合以下标准之一，我们就接受父亲和母亲的任务[49]：（1）所有三次运行被分配给同一父母，概率为95％以上;（2）分配给同一父母三次，两次运行分配超过95％;（3）两次运行分配相同的父级，均超过95％，但另一个运行失败可分配任何候选父级。当最可能的男性父母在三次重复运行的结果中发生冲突时，任务被视为失败。

花粉扩散和雄性繁殖成功

花粉扩散是基于亲子鉴定的零星和质量开花的人群中进行。我们认为所有母本团块（具有结实的团块），为在所研究的人群候选父本团块，所以花粉扩散距离是根据基于侍分析结果母本丛和推断父本丛之间的地理距离计数。雄性繁殖成功（λ）的计算通过使用等式：

其中k是候选男性父母的数量，n_K.是已知女性父母和推断的男性父母的后代数量，n是后代的总数[50那51］．我们还计算了交配距离与男性生殖成功之间的关系。

本研究期间生成或分析的所有数据都包含在此已发布的文章（及其附加文件）中。

我们感谢两个匿名评论员和建军高（云南大学）为建设性建议，有助于改进本文。

本研究由中国林业学院的基本研究基金，CAF（CAFYBB217ZX001-8），中国国家自然科学基金（31870574,31270662）和XZANG自治区的科学和技术系（XZ201801-GA-11）。资助机构没有参与研究和收集，分析，数据的解释以及写作稿件的设计。

作者笔记

1. 谢宁和凌娜陈同等贡献这项工作。

从属关系

1. 中国林业科学院资源昆虫研究所，昆明攀龙区百龙区，昆明，650233

   宁谢，凌娜陈，玉冉董汉q杨

2. 江西植物园，江西植物园和中国科学院，九江庐山区Guling，332900

   谢宁

贡献

NX和LC负责幼苗管理，进行SSR基因分型，分析所有数据;YD参与了实验设计和数据分析;NX, LC, HY起草手稿;HY构思了这项研究，对其设计做出了贡献，并对手稿进行了批判性的修改。所有作者阅读并批准了最终的手稿。

相应的作者

对应于韩启阳．

伦理批准和同意参与

每个地点的许可由景洪林业局或西盟林业局颁发。所述的实地研究不需要特定的许可证，包括调查研究竹林的种子结实率。实地研究不涉及濒危或受保护的动植物物种。

同意出版物

不适用。

利益争夺

两位作者宣称他们没有相互竞争的利益。

出版商的注意

Springer Nature在发表地图和机构附属机构中的司法管辖权索赔方面仍然是中立的。

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