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LBD转录因子是一类在其蛋白质N端具有侧生器官边界(LOB)蛋白质结构域的植物特有转录因子[1]。SHUAI等[2]首次发现了LBD基因，发现它在植物侧生器官的边界细胞中表达并且参与侧生器官的发育形成。根据侧生器官边界(LOB)域的结构，拟南芥Arabidopsis thaliana中的LBD转录因子家族通常可被分为2类。类1(Group 1)具有1个完整的高度保守的CX2CX6CX3C锌指结构，通常能够结合特定DNA序列。同时类1的LBD基因具有高度保守的甘氨酸GAS结构和亮氨酸拉链(zipper-like)结构(LX6LX3LX6L)，它们之间会形成卷曲-螺旋结构的蛋白质并相互作用。而类2(Group 2)只含有1个保守的CX2CX6CX3C锌指结构[1-4]。大多数的LBD转录因子基因从属于类1。类2的LBD蛋白质往往保存有1个可能不具有功能的残缺的亮氨酸拉链结构，它会形成1个盘绕-线圈结构[4]。最近，CHEN等[5]通过研究小麦Triticum aestivum LBD蛋白质中LOB结构域的蛋白质结晶学，揭示了之前提到的CX2CX6CX3C锌指结构实际是C4型锌指结构。C4锌指结构常常与GAS结构以及α4和α5之间的垂直构象共同作用，从而精确识别DNA，并能对结合位点的空间构型进行定位。最初的一些LBD基因功能研究表明：LBD基因通常在侧生器官底部的边界新生细胞中表达，在器官分化和侧生器官发育中具有潜在功能[1]。同时，LBD基因还能够参与植物花青素、氮元素代谢和器官再生等关键过程[6]。类1的LBD基因大多数参与植物发育过程[4, 7]和由生长素信号转导级联反应介导的侧根形成过程。相反，类2基因往往作为花青素合成的阻遏物和有效性信号参与了新陈代谢过程[8]。在拟南芥LBD转录因子的表达模式研究中，病原体几乎诱导了类2的所有LBD基因的表达，这表明LBD基因能够在植物病原防御反应中发挥作用[9]。LBD基因参与到拟南芥许多组织发育过程中，比如叶片发育[10]、根部侧生器官发育[11-13]、细胞分裂素信号转导[14]和赤霉素途径[15]。值得一提的是，拟南芥中的AthLBD16基因会促进侧根的起始发育[16]，AthLBD29则能够抑制拟南芥茎纤维壁增厚的生长素信号转导过程[17]。在尖孢镰刀菌Fusarium oxysporum中AtLBD20作为易感基因似乎能够调节茉莉酸(JA)信号传导和激活尖孢镰刀菌中JA信号转导过程依赖的反应[18]。除拟南芥之外LBD基因功能在许多物种中同样被研究过，如OsIG1基因会参与配子发生过程并影响水稻Oryza sativa的花器官数量[19]；MdLBD13蛋白质则可以抑制苹果Malus × domestica中的花色苷合成和氮吸收[20]。与此同时，在许多物种中也开展了利用基因组数据资源对LBD基因家族鉴定和分析的研究，如茶树Camellia sinensis[21]、马铃薯Solanum tuberosum[22]、桉树Eucalyptus robusta[23]、芸薹Brassica campestris[24]、葡萄Vitis vinifera[25]、大豆Glycine max[26]。但是目前薄壳山核桃Carya illinoensis中的LBD基因研究却鲜有报道。在薄壳山核桃全基因组测序组装完成后LBD基因家族仍然没有进行系统的研究[27]。本研究通过生物信息学手段鉴定了薄壳山核桃全基因组内的LBD基因，分析其基因结构、基序(motif)分布、转录组表达模式并构建系统进化树，预测LBD基因家族在薄壳山核桃中可能的功能，并为进一步研究提供理论基础。
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薄壳山核桃、山核桃Carya cathayensis、核桃Juglans reiga的全基因组蛋白质序列来源于胡桃科Juglandaceae数据库(http://www.juglandaceae.net/)[28]。银杏Ginkgo biloba、无油樟Amborella trichopoda、蓝星睡莲Nymphaea coloratar、大豆、葡萄、水稻的全基因组蛋白质序列来源于美国国立生物技术信息中心(NCBI)。拟南芥的全基因组蛋白质序列来源于拟南芥信息资源库(TAIR，https://www.arabidopsis.org/)。
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以LBD为关键词，搜索获取LBD在拟南芥中的10条核酸编码序列(CDS)，并下载这10条基因的FASTA格式的核酸序列。将获得的10条拟南芥编码序列通过本地NCBI-BLAST 2.9.0软件的BLASTX程序与1.1中获得的全基因组蛋白质序列进行同源比对，在Pfam数据库[29]中下载LOB结构域的种子文件，得到的候选LBD蛋白质序列用HMMER软件[30]使用隐马尔科夫模型算法筛选出LBD基因，利用ExPASy蛋白质在线分析网站对蛋白质序列进行理化性质的鉴定和分析。
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通过MCSCAN软件[31]，将薄壳山核桃全基因组核酸编码序列CDS文件和基因组注释GFF文件输入执行Pairwise Synteny Search程序，得到的Anchor Pairwise结果以30个基因为阈值过滤小片段block。在最后的gene block中寻找1.2中鉴定到的LBD基因。
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利用ENSEMBL的CLUSTALW软件[32]对获取的52条薄壳山核桃LBD基因进行多重序列比对，将比对后的ALN文件输入至ENDscript网站进行多序列比对的可视化。
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利用MUSCLE v3.8.31软件[33]分别对获取的52条薄壳山核桃和547条多物种LBD基因的蛋白质序列进行多序列比对。获得的多序列比对结果文件使用FastTree V2.1.11软件[34]的JTT+CAT算法[35]构建最大似然树，获得的树文件通过Evolview在线网站[36]可视化。在胡桃科数据库下载薄壳山核桃基因组结构注释GFF文件，并利用Gene Structure Display Server 2.0在线网站[37]可视化LBD基因结构图。在MEME网站上传52条薄壳山核桃蛋白质序列分析基序。
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转录组原始测序数据从NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/) PRJNA435846下的SRA数据库获取：SRR6793964、SRR6793963、SRR6793962、SRR6793961、SRR6793960、SRR6793959、SRR6793958、SRR6793957、SRR6793956、SRR6793955。从GIGADB (http://gigadb.org/)获取薄壳山核桃全基因组序列和基因组注释GFF文件，利用fastp软件进行质控和过滤，STAR软件进行序列比对，RSEM软件对基因进行定量分析，计算TPM值并生成基因表达数据框。得到的表达数据通过R软件将表达值进行对数转换后利用pheatmap包绘制表达热图。
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通过BLASTX初筛出LBD的同源基因，经HMM-SEARCH程序[29]分析和筛选，供试的10个物种中共获得551条LBD基因(表1)。其中大豆中LBD基因的数量是无油樟的4.46倍、核桃的1.61倍，推测这可能和大豆是由古四倍体演化而来的二倍体有关[38]。根据薄壳山核桃基因组GFF注释文件，发现有pecanLBD50、pecanLBD51和pecanLBD52等3个基因是位于scaffold123681的短串联重复基因。
表 1 多物种LBD基因鉴定结果
Table 1. Identify result of LBD genes in multi-species
鉴定程序 基因数量/个 银杏 无油樟 蓝星睡莲 水稻 拟南芥 葡萄 大豆 核桃 山核桃 薄壳山核桃 BLASTX 90 45 51 61 91 98 153 87 89 80 HMMER 50 26 35 29 58 57 116 72 56 52 MCSCAN分析显示：薄壳山核桃基因组共有211个共线性的区块。在这些共线性的区块中找到了13对在可能全基因组加倍事件中发生重复的同源LBD基因对：pecanLBD1和pecanLBD25、pecanLBD4和pecanLBD17、pecanLBD5和pecanLBD16、pecanLBD11和pecanLBD33、pecanLBD11和pecanLBD32、pecanLBD12和pecanLBD33、pecanLBD12和pecanLBD32、pecanLBD14和pecanLBD43、pecanLBD14和pecanLBD42、pecanLBD19和pecanLBD26、pecanLBD20和pecanLBD29、pecanLBD21和pecanLBD36、pecanLBD34和pecanLBD41。共线性分析共得到基因23个，占所有LBD基因的44.2%，这说明了全基因组加倍事件使LBD基因家族得到了扩张。
通过理化性质分析(表2)：在氨基酸数量、分子量、等电点、不稳定系数和脂肪系数等方面存在差异。氨基酸数量为 92~326个，大部分为 170~300个；等电点为4.48~9.85，＞7.5的有24个，多在碱性范围内；不稳定系数＜40的有51个，为稳定蛋白质；＞40仅1个，为不稳定蛋白质；蛋白质的脂肪系数大多＜100，为疏水性蛋白质，仅有pecanLBD50脂肪系数＞100，为亲水性蛋白质。
表 2 薄壳山核桃LBD转录因子家族蛋白质理化性质
Table 2. Physicochemical properties of LBD transcription factor family protein in C. illinoensis
蛋白质 氨基酸残基数/个 分子量/kD 理论等电点 酸性氨基酸/个 碱性氨基酸/个 不稳定系数 脂肪系数 总平均亲水性 pecanLBD1 210 23 309.19 8.24 17 19 47.65 73.52 −0.485 pecanLBD2 208 22 353.77 7.55 20 21 58.32 88.65 0 pecanLBD3 288 31 617.01 8.99 29 35 61.92 76.88 −0.326 pecanLBD4 223 24 069.37 7.69 17 18 73.89 77.89 −0.171 pecanLBD5 188 20 808.56 7.63 17 18 67.24 69.15 −0.490 pecanLBD6 260 28 451.22 8.23 31 34 52.55 69.38 −0.501 pecanLBD7 156 17 540.20 9.03 12 18 55.87 78.91 −0.235 pecanLBD8 172 18 611.24 8.59 14 17 61.24 70.35 −0.238 pecanLBD9 276 30 985.11 8.55 28 32 30.84 76.96 −0.522 pecanLBD10 326 36 029.86 6.91 23 22 64.45 77.58 −0.472 pecanLBD11 204 22 376.57 7.53 18 19 60.78 77.99 −0.233 pecanLBD12 232 25 857.68 5.90 21 14 50.52 65.22 −0.425 pecanLBD13 170 18 808.03 6.42 18 17 65.04 57.47 −0.607 pecanLBD14 202 21 823.68 8.59 14 17 57.41 80.20 −0.175 pecanLBD15 203 23 706.08 8.15 27 29 52.00 77.39 −0.556 pecanLBD16 191 20 998.77 6.08 19 17 70.05 72.04 −0.423 pecanLBD17 230 25 054.58 9.22 17 23 78.94 70.04 −0.284 pecanLBD18 172 18 626.23 8.82 14 18 67.64 73.14 −0.296 pecanLBD19 306 33 113.72 7.95 33 35 46.03 81.54 −0.280 pecanLBD20 162 18 029.72 6.70 14 14 51.76 88.52 −0.133 pecanLBD21 127 14 182.02 4.48 14 7 36.18 92.20 −0.246 pecanLBD22 176 19 971.98 5.17 25 18 44.88 80.34 −0.186 pecanLBD23 130 15 042.74 9.84 10 25 45.43 77.23 −0.541 pecanLBD24 162 18 285.75 8.23 13 15 57.65 78.40 −0.337 pecanLBD25 214 23 771.70 8.25 17 19 49.42 74.44 −0.472 pecanLBD26 310 33 384.03 8.22 34 37 47.44 80.87 −0.302 pecanLBD27 168 18 892.28 6.28 17 13 72.86 63.87 −0.476 pecanLBD28 215 23 539.68 5.33 18 14 75.47 70.88 −0.272 pecanLBD29 167 18 504.18 6.94 15 15 59.00 81.80 −0.217 pecanLBD30 176 19 230.73 6.50 18 17 69.15 73.75 −0.242 pecanLBD31 169 18 881.58 6.49 17 16 51.28 79.59 −0.219 pecanLBD32 236 26 157.91 5.74 22 13 46.73 65.76 −0.405 pecanLBD33 213 23 405.50 7.06 19 19 65.23 67.37 −0.380 pecanLBD34 326 37 266.20 5.47 54 35 49.05 74.29 −0.813 pecanLBD35 251 27 236.49 6.44 24 22 59.55 80.08 −0.322 pecanLBD36 228 24 949.42 6.29 17 16 83.40 71.05 −0.271 pecanLBD37 228 24 709.22 8.06 22 24 59.20 76.14 −0.244 pecanLBD38 216 23 449.53 6.03 17 13 64.11 75.05 −0.227 pecanLBD39 158 17 663.15 6.27 15 13 53.44 80.25 −0.243 pecanLBD40 221 24 171.04 4.97 21 12 58.45 78.60 −0.143 pecanLBD41 265 30 244.09 6.42 33 29 46.86 77.66 −0.594 pecanLBD42 237 24 801.38 8.20 13 15 69.07 79.87 −0.065 pecanLBD43 213 23 452.55 6.74 19 18 56.45 80.61 −0.203 pecanLBD44 224 24 373.77 8.93 17 22 69.41 73.62 −0.276 pecanLBD45 202 21 927.15 8.56 19 23 54.66 83.47 −0.159 pecanLBD46 221 24 114.37 9.01 18 23 73.18 66.29 −0.421 pecanLBD47 289 32 466.21 5.27 29 21 67.19 65.92 −0.600 pecanLBD48 176 19 971.98 5.17 25 18 44.88 80.34 −0.186 pecanLBD49 170 18 770.95 6.19 19 17 60.44 55.18 −0.615 pecanLBD50 92 10 319.08 6.26 11 10 39.17 115.65 0.018 pecanLBD51 313 34 650.03 7.29 20 20 64.34 73.07 −0.490 pecanLBD52 320 35 091.25 6.83 23 21 66.59 67.53 −0.593 -
如图1所示：52个薄壳山核桃LBD基因聚成3类：GroupⅠ、GroupⅡ、GroupⅢ。其中，GroupⅠ含有最多的33个LBD基因，它们可能承担了LBD基因促进侧生器官发育的主要功能。GroupⅠ中有1对蛋白质序列完全相同的基因pecanLBD22和pecanLBD48，导致它们在进化树上没有显示变异，而pecanLBD41的进化枝长度达到3.7346，是GroupⅠ中相对于其他LBD基因变异程度最大的。GroupⅡ细分为3支基因簇，其中 Sub groupⅠ和Sub groupⅢ的进化枝相对较短，因此序列和功能变异不大；而Sub groupⅡ有明显的进化变异，其中pecanLBD6的枝长为6.2748，是Sub groupⅡ中变异最大的基因，它可能已经出现了功能上的分化变异。GroupⅢ是3类中最保守的一支，其中的pecanLBD9基因的枝长在所有52个LBD基因中最长，达6.764 2。
图 1 薄壳山核桃LBD基因家族系统进化树
Figure 1. Phylogenetic tree constructed based on the full-length sequences of pecan LBD genes using JTT+CAT algorithm with FastTree software
如图2中52个薄壳山核桃LBD基因基序分析结果所示：共发现了10个基序并命名为Motif1~Motif10。对LBD转录因子家族较重要的有3个基序：Motif1含GAS(Gly-Ala-Ser)甘氨酸保守结构；Motif 2拥有完整的高度保守的CX2CX6CX3C锌指结构，通常具有结合特定DNA序列的能力；Motif 3 为亮氨酸拉链结构(LX6LX3LX6L)。Motif1和Motif3往往会形成卷曲-螺旋结构的蛋白质并相互作用。52个薄壳山核桃LBD基因中的39个具有完整的Motif1、Motif2和Motif3的顺序基序结构；而pecanLBD34、pecanLBD41和pecanLBD9在进化过程中丢失了Motif1的GAS甘氨酸保守结构；pecanLBD6、pecanLBD19、pecanLBD26、pecanLBD45、pecanLBD37、pecanLBD2和pecanLBD3丢失了Motif3亮氨酸zipper-like结构(LX6LX3LX6L)，尽管它们仍具有GAS结构但已经丧失了和Motif1结合生成卷曲-螺旋蛋白质结构的功能；pecanLBD50则丢失了所有的基序，可能丧失了LBD基因的基本功能。
图 2 薄壳山核桃LBD转录因子家族系统发育树和保守蛋白质基序结构
Figure 2. Phylogenetic tree constructed based on the full-length sequences of pecan LBD genes using JTT+CAT algorithm with FastTree software
基因结构分析显示：薄壳山核桃LBD基因一般具有1~3个外显子。其中pecanLBD41~pecanLBD52都只具有1个外显子(除pecanLBD47有2个外显子除外)，并且都属于GroupⅠ；具有3个外显子的基因只有pecanLBD3、pecanLBD34和pecanLBD9，在每类都有部分；剩余的LBD基因都为2个外显子，占所有薄壳山核桃LBD基因的67.3%。因此，薄壳山核桃LBD转录因子家族的大多数基因较为保守，有着相似的基序、基因结构，执行并发挥LBD的主要功能，而其发生变异的小部分可能已经丢失了原来的基因功能或者特化出新的功能。
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对52个薄壳山核桃LBD转录因子基因的LOB蛋白质结构域多序列比对(图3)发现：LOB蛋白质结构域主要由3个保守序列模式组成：长度为16个氨基酸的CX2CX6CX3C锌指结构、长度为50个氨基酸的甘氨酸GAS结构和LX6LX3LX6L亮氨酸拉链结构。其中pecanLBD50和pecanLBD21完全缺失了锌指结构和部分的甘氨酸GAS结构，而其他的LBD的锌指结构则全部保存下来没有发生缺失或者突变，较为保守。甘氨酸GAS结构相对锌指结构变异程度较大，GroupⅠ中pecanLBD23~pecanLBD47、pecanLBD10、pecanLBD51发生了1~2个氨基酸的变异，GroupⅡ中pecanLBD6、pecanLBD19、pecanLBD26、pecanLBD45、pecanLBD37、pecanLBD2、pecanLBD3等7个转录因子GAS中的丙氨酸突变为精氨酸、丝氨酸突变为丙氨酸，52个LBD转录因子中有12个发生了突变，2个缺失了GAS结构。LX6LX3LX6L亮氨酸拉链结构中，上述7个转录因子的第1个亮氨酸位置都突变为甘氨酸，第3个亮氨酸位置突变为甘氨酸或苏氨酸，有5个转录因子的第2个亮氨酸位置发生了突变，由此可见上述7个LBD转录因子与进化模式(图1)一致，已经发生了较大程度的变异，可能已经分化出新的功能。pecanLBD15、pecanLBD47、pecanLBD10、pecanLBD51、 pecanLBD52、pecanLBD7和pecanLBD24的第2个亮氨酸位置发生了突变，第3个亮氨酸位置只有pecanLBD40、pecanLBD23和pecanLBD10发生了突变，相对保守。
图 3 薄壳山核桃LBD 转录因子家族LOB蛋白质结构域多序列比对
Figure 3. Multiple sequence alignment of LOB domain in C. illinoensis transcription factor family
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由图4可见：与薄壳山核桃LBD系统发育树相似，图4中各物种LBD转录因子可以聚为3类：GroupⅠ、GroupⅡ和GroupⅢ。其中GroupⅠ有314个LBD基因，为总数的57.0%，占比最多；GroupⅡ有166个LBD基因，占总数的30.1%；而GroupⅢ的基因数量最少，只有71个，占总数的12.9%。从表1鉴定到的LBD转录因子的数量来看，裸子植物银杏的数量是早期被子植物类群的2倍，这与银杏最近一次特异性的WGD事件有关[39]；早期被子植物类群和单子叶植物水稻的LBD基因数量接近；而双子叶植物的LBD基因数量明显又发生了1次倍增。从分布来看，GroupⅠ、GroupⅡ和GroupⅢ中每个植物类群都存在LBD基因，因此LBD转录因子家族可能在裸子植物和被子植物未分化前已经分为3类，分化后3类LBD继续各自进化。从变异程度看GroupⅠ和GroupⅡ相对较为保守，而GroupⅢ内的所有LBD基因共享一支较长的分支，说明它们已发生了较大的变异，可能已经分化出新的功能。
图 4 利用从裸子植物银杏到高等植物551个LBD基因全长蛋白质序列构建系统发育树
Figure 4. Phylogenetic tree constructed based on the full-length sequences of 551 LBD genes from gymnosperm ginkgo to higher angiosperms
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为了探究LBD转录因子家族在胚发育的关键过程中的作用，从NCBI网站的SRA原始测序数据库中下载了薄壳山核桃胚成熟过程中3个关键时期的原始测序数据：子叶伸展早期(early extended stage of cotyledon development)、子叶完全伸展期(fully extended stage of cotyledon development)、胚完全成熟期(fully matured stage of embryo)，并进行分析和绘制聚类热图(图5)。不同LBD基因和不同发育阶段之间的表达模式有显著差异。基因表达量可以聚为4类：①pecanLBD2、pecanLBD19和pecanLBD26在3个阶段的表达量比较高；②pecanLBD30、pecanLBD3和pecanLBD37在子叶伸展早期和子叶完全伸展期表达；③pecanLBD11、pecanLBD18、pecanLBD8、pecanLBD25、pecanLBD6、pecanLBD42、pecanLBD13、pecanLBD52、pecanLBD17、pecanLBD35、pecanLBD1、pecanLBD43、pecanLBD29和pecanLBD44仅在子叶伸展早期有表达；④其余的LBD基因在3个阶段都不表达。从2.2中系统发育分析的结果来看：③类表达的14个LBD基因(78.6%)，属于较为保守的Group I，因此它们在胚发育过程中主要参与经典的器官分化过程，加快子叶边界新生的细胞分化。而①类表达的基因都是进化枝较长、变异程度较大的GroupⅡ中Sub GroupⅡ的成员，可见GroupⅡ中Sub Group Ⅱ的LBD成员已经发生了较大程度的变异，它们参与到胚发育的全程，可能与胚中营养物质的积累过程和胚组织分生发育的过程密切相关。②类中pecanLBD30和pecanLBD3属于GroupⅡ， pecanLBD 37属于GroupⅠ，它们在功能上可能介于①类和③类，即既参与了器官分化、细胞分裂的过程调控，又和胚中营养物质积累的过程相关。总体上，薄壳山核桃胚发育过程中LBD基因功能较为保守，主要参与新生细胞分裂分化、子叶形态建成等，但GroupⅡLBD基因的变异程度较大，可能进化出新的功能，在胚发育过程中发挥更加关键的作用。
图 5 薄壳山核桃LBD 转录因子家族胚发育表达模式
Figure 5. Transcriptome expression profile of LBD gene family in embryo development
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本研究分别在银杏、无油樟、蓝星睡莲、水稻、拟南芥、葡萄、大豆、核桃、山核桃和薄壳山核桃全基因组蛋白质序列中系统鉴定了551个LBD基因。这些LBD基因包含典型的LOB结构域，即1个含有DNA结合活性所需的 (CX2CX6CX3C)锌指结构、1个Gly-Ala-Ser(GAS)结构和1个负责蛋白质二聚体化的亮氨酸拉链 (LX6LX3LX6L)结构。根据LOB结构域的组成模式和系统发育学分析结果。薄壳山核桃52个LBD基因可分为GroupⅠ、GroupⅡ和GroupⅢ 3类。33个LBD基因被划分为GroupⅠ，15个被划分为GroupⅡ，4个为GroupⅢ。根据进化枝的长度，GroupⅠ是数量较多同时也比较保守的一支，而GroupⅡ和 GroupⅢ都发生了一定程度的变异。
新基因功能产生或分化的一大动力是基因重复，基因重复对物种提高环境适应性至关重要[40]。在进化过程中，重复的基因可能会经历功能分化、亚功能分化或功能丢失等多种过程[41]。基因重复通常会导致基因家族扩张[42]。为了揭示薄壳山核桃LBD基因家族的复制机制，利用MCScanX对薄壳山核桃的基因组共线性区块内成对的LBD基因进行筛选。根据目前的基因组内LBD基因位置分析结果，薄壳山核桃基因组内只存在1个连续3个LBD基因的串联重复事件，但是存在13对23个由全基因组加倍产生的LBD基因共线性基因对。这说明全基因组加倍在LBD基因家族进化中起到了主导性的推动作用。
本研究构建了以裸子植物(银杏)、早期被子植物(无油樟、睡莲)、单子叶植物(水稻)、双子叶植物(拟南芥、葡萄、大豆)、近缘种植物(核桃、山核桃)和薄壳山核桃为显花植物中主要类群的LBD基因系统发育树。显花植物LBD系统发育树与与薄壳山核桃LBD相似，同样可以聚为3类。从分布来看，GroupⅠ、GroupⅡ和GroupⅢ中每个植物都存在LBD基因，因此LBD转录因子家族可能在裸子植物和被子植物未分化前已经分化为3类。从变异程度看，GroupⅠ和GroupⅡ相对较为保守，而GroupⅢ内的所有LBD基因共享一支较长的分支，说明已发生了较大的变异，可能已经分化出新的功能。
LBD蛋白质协调了很多植物发育过程，并对环境刺激作出反应，特别是在调控侧根器官发育和代谢过程中起着至关重要的作用。例如LBD18通过抑制LBD18 DNA-结合活性控制侧根发育[43]。一般来说，主根受到侧根过度生长的影响，会降低植物提取水分和养分的能力。在土壤中蔓延的侧根过多，将增加被病原体攻击的可能性。以前的一些工作已经证明了这些预测。如LBD1通过抑制主根生长和维持侧根萌发来控制盐胁迫下的根结构[44]。LBD基因由于其对一系列下游基因的转录调控，成为植物病原体入侵的关键分子靶基因[7]。
在薄壳山核桃研究中胚的发育是非常重要的阶段[45]，特别是胚内蛋白质、不饱和脂肪酸、淀粉等重要营养物质累积过程是薄壳山核桃研究的热点[46-47]。本研究分析LBD转录因子家族在薄壳山核桃子叶伸展早期、子叶完全伸展期和胚完全成熟期3个时期的转录数据发现：薄壳山核桃LBD基因存在4种表达模式。可见LBD基因具有参与调控胚发育过程的功能，通常基于在侧生器官底部的边界新生的细胞中调控细胞分裂分化来控制子叶的发育和形态建成。薄壳山核桃LBD基因中有在整个胚发育过程中都高表达的一簇基因，这些基因在胚发育过程中发挥了更加重要的作用，因此有必要对这一簇LBD基因进行更为深入的基因功能研究，可为进一步改良薄壳山核桃遗传性状提供基础。
Genome-wide identification and bioinformatics analysis of LBD family of transcription factors in Carya illinoensis
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摘要:
目的 研究薄壳山核桃Carya illinoensis LBD基因家族结构特征、进化模式和在胚发育过程中的表达模式。 方法 运用生物信息学手段鉴定薄壳山核桃LBD基因，分析该基因结构特征、系统发生学关系、显花植物中的进化历史和在胚发育过程中3个关键阶段的表达模式。 结果 薄壳山核桃全基因组中一共鉴定到52个候选LBD基因。根据基因结构、系统发生学最大似然树和Motif分析可分为3类：GroupⅠ、GroupⅡ和GroupⅢ。多序列比对分析中，52个LBD基因LOB结构域中鉴定出3个重要的结构：CX2CX6CX3C锌指结构、高度保守的甘氨酸GAS结构和亮氨酸拉链(zipper-like)结构，并且在3类内都分别发生了特异性的的变异或者缺失。根据代表性显花植物LBD基因家族的系统发生学分析，从变异程度看GroupⅠ和GroupⅡ相对较为保守，而GroupⅢ内的所有LBD基因共享1支较长的分支，它们已发生了较大的变异，可能已经分化出新的功能。表达分析结果显示：LBD基因家族参与调控胚发育过程，通常控制子叶的发育和形态建成。薄壳山核桃LBD基因中又有在整个胚发育过程中都高表达的一簇基因，这些基因可能在胚发育过程中发挥了更加重要的作用。 结论 薄壳山核桃全基因组中共获得LBD基因52个，共可分为3个亚家族，不同的亚家族具有不同的基因结构、蛋白质结构、进化模式和表达模式，转录组表达分析显示：不同亚家族之间在胚发育不同阶段具有差异性表达，它们共同参与调控薄壳山核桃胚发育过程。图5表2参47 Abstract:Objective This study is aimed to investigate the structural features and the evolutionary patterns of the LBD transcription factor family as well as their expression patterns throughout the embryonic development in Carya illinoensis. Method With bioinformatic software employed, efforts were made to identify the LBD gene and analyze its gene structure characteristics, phylogeny relationships and evolutionary history in flower plants, as well as their expression patterns at the three key stages througout the embryonic development. Result Within the whole genome in C. illinoensis there were a total of 52 candidate LBD genes which, in terms of gene structure, maximum likelihood phylogenetic tree and motif analysis, could be classified into 3 categories: Group Ⅰ, Group Ⅱ and Group Ⅲ. After the multiple sequences alignment analysis three important structures in the LOB domains of 52 LBD genes were identified, namely the CX2CX6CX3C zinc finger structure, the highly conserved glycine GAS structure and the leucine zipper-like structure with the occurrence of specific mutations or deletions in each of them. According to the LBD gene family phylogenetic analysis of representative flowering plants, Group Ⅰ and Group Ⅱ are relatively conservative, while all LBD genes in Group Ⅲ share a longer branch which indicates that they have undergone greater variation and new functions have been differentiated. The expression analysis showed that the LBD gene family participates in the function of regulating the development of embryos, usually with control over the development and morphogenesis of cotyledons and there is a cluster of genes in the LBD gene of hickory pecans that are highly expressed during the entire embryo development process playing a highly significant role. Conclusion A total of 52 LBD genes were obtained in the whole genome of C. illinoensis, which can be divided into three different subfamilies with different gene structures, protein structures, evolutionary patterns, and expression patterns, and these subfamilies, according to the transcriptome expression analysis, are differentially expressed at different stages of embryonic development, and involved in the regulation of C. illinoensis embryo development collectively. [Ch, 5 fig. 2 tab. 47 ref.] -
Key words:
- Carya illinoensis /
- LBD /
- transcription factor /
- phylogenetics /
- gene function
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植物群落的空间(地带性)特征和时间(演替动态)特征都会反映在物种多样性这一重要的群落信息上[1]。森林群落的物种组成与结构是生态系统功能和过程的基础，既能反映群落的种间关系，也可表现环境对物种的影响，同时也是衡量植物群落稳定的重要尺度和方式[2]。物种多样性是物种丰富度和分布均匀性的综合反映，体现了群落的结构类型、组织水平、发展阶段、稳定程度和生境差异[3-4]，分析植物群落的结构和物种多样性，对揭示群落的更新、稳定性与演替规律具有重要的意义[5]。稳定性是群落内部各个植物种群、动物种群、微生物种群、土壤环境、气候等相互作用和生物运动的结果，是在群落演替进化过程中形成和表现的[6]。稳定性是植物群落结构与功能的综合特征，是生态系统存在的必要条件和重要功能表现[7]。物种多样性和稳定性是植物群落的2个属性，它们之间的相互关系和相互影响一直受到生态学家的关注[8]。火山喷发为研究植被演替尤其是原生演替提供了难得的条件[9]。五大连池火山处于大小兴安岭和松嫩平原的交错地带，至今历经了7次火山喷发，形成了14座火山，拥有大陆上保存完整、分布集中、形态典型、种类最齐全的新老期火山地质地貌[10]。五大连池火山区生态条件独特复杂，由熔岩裸地到演化中的不同生境内可见低等植物和高等植物(演替中的不同植被生态系列)[11]。五大连池完好的内陆单成因火山地貌，原生而完整的植被演替过程，且地处植被交错区(大小兴安岭植被交错带)，是研究火山干扰和植被演替与生物多样性系统发育等的理想场所[12]。近年来，对火山森林群落的物种多样性有大量研究。如牟长城等[13]研究了长白山林区森林/沼泽交错群落的植物多样性，郝占庆等[14-17]研究了长白山北坡植物群落物种多样性，姜萍等[18]研究了长白山南坡森林群落组成-结构以及树种多样性。然而，对五大连池火山森林群落的多样性和稳定性研究尚未有报道。本研究以五大连池4座老期火山为研究对象，从森林群落多样性指数、年龄结构和优势树种的存活曲线入手，分析森林群落多样性与稳定性，为五大连池火山森林植被的演替、恢复与可持续发展提供科学依据。
1. 研究地区与研究方法
1.1 研究区概况
五大连池火山群(48°30′~48°50′N，126°00′~126°45′E)中心区由新期火山活动形成的巨大熔岩流——石龙、2座年轻火山和巨大的熔岩形成的石龙台地和火山堰湖群构成，四周由老期火山活动形成的玄武岩台地构成，台地上环布12座老期火山和众多熔岩流，是中国第1个以火山自然环境及生态系统为保护对象的自然保护区[19]。
本研究选取东焦得布山(48°39′13ʺN，126°16ʹ30ʺE)、小孤山(48°40′45ʺN，126°22ʹ06ʺE)、尾山(48°47′23ʺN，126°15ʹ26ʺE)和南格拉球山(48°44′13ʺN，126°00ʹ46ʺE)4座老期火山。研究区属温带大陆性季风气候，年平均气温−0.5 ℃，年平均降水量476.3 mm，年均无霜期121 d。研究区主要森林植被类型为温带落叶阔叶混交林，主要包括蒙古栎Quercus mongolica林和落叶阔叶林等。乔木优势树种南坡为蒙古栎和黑桦Betula davurica，北坡为紫椴Tilia amurensis和色木槭Acer mono等。研究区分布有暗棕壤性火山灰土和黑土性火山灰土[20]。
1.2 研究方法
1.2.1 样地设置与植被调查
于2018年7中旬至8月中旬植物生长旺盛期，采用样地调查法，在老期火山东焦得布山(高海拔525 m、中海拔475 m、低海拔425 m)，小孤山(高海拔450 m、中海拔425 m、低海拔400 m)，尾山(高海拔510 m、中海拔470 m、低海拔430 m)和南格拉球山(高海拔580 m、中海拔520 m、低海拔460 m)的南坡和北坡，每坡设置低、中、高3个海拔样地。乔木层共取24个样方，每个样方面积20 m×20 m，分别记录乔木种类、个体数、胸径、树高和群落的总郁闭度及所有乔木层树种的幼苗更新情况，用生长锥钻取胸径≥2.5 cm的乔木；灌木层分别设置4个2 m×2 m的小样方，共96个样方，记录灌木的密度、盖度、高度；草本层分别设置5个1 m×1 m的小样方，共120个样方，记录草本的密度、盖度、高度。
1.2.2 样地资料处理
将野外采取的年轮样芯，带回实验室固定在木槽内自然风干，待木芯完全风干后，用乳白胶固定在木槽上。固定后的芯样用砂粒由粗到细的砂纸打磨抛光，直到年轮清晰可见。用LINTAB年轮分析仪测年[21]。
1.2.3 多样性指数测度方法
采用Margalef、Simpson、Shannon-Wiener和Pielou等指数比较4座火山森林群落的丰富度、多样性和均匀度，多样性指数计算参考文献[3]。采用方差分析法(ANOVA)对各植物群落物种多样性指数进行差异性检验。多样性指数值均为平均值±标准误。植物种类的重要值可体现植物在群落中的相对重要性：乔木层重要值(IV1)=(相对密度+相对优势度+相对高度)/3；灌木和草本层重要值(IV2)=(相对高度+相对盖度+相对密度)/3。
1.2.4 稳定性研究方法
森林群落的年龄结构是群落变化发展的内在依据，因此，通过对森林群落年龄结构分析，可以测度群落的稳定性和动态[22]。优势种或建群种的种群稳定对群落稳定有决定作用[23]。选取群落乔木层年龄结构、乔木层重要值最高种群的年龄结构判定森林群落的稳定性。本研究中龄级划分采用胸径≥2.5 cm(利用年轮样芯测定年龄)的乔木划分，龄级划分标准以20 a为1个龄级，Ⅰ龄级为0~20 a、Ⅱ龄级为20~40 a，Ⅲ龄级为40~60 a，其他龄级以此类推[24]。统计分析后绘制群落的年龄结构图和种群的年龄结构图，以此判断群落的稳定性。
2. 结果与分析
2.1 森林群落结构特征
从表1可见：乔木树种北坡最多的山体为10种，南坡最多的山体为6种，群落树种组成简单。研究区南北坡向上森林群落在结构数量上都有差异，北坡各山体间乔木层和草本层的物种数目相差较大，而南坡各山体间森林群落各层次在结构数量上差异不明显(东焦得布山草本层除外)。
表 1 五大连池火山森林群落的环境特征和数量特征Table 1 Characteristics of the quantitative and environment of forest communities in Wudalianchi Volcanoes研究区 喷发时间/万a 海拔/m 坡向 乔木层 灌木层 草本层 盖度/% 种数 盖度/% 种数 盖度/% 种数 东焦得布山 17~19 531.9 北 60±13 10±1 50±16 12±1 20±4 24±3 南 70±13 6±1 15±6 6±1 30±3 37±2 小孤山 28~34 453.5 北 70±7 5±1 25±2 9±1 5±2 11±1 南 80±2 5±1 10±4 5±1 15±5 23±1 尾山 40~50 516.6 北 75±4 8±1 45±12 7±1 25±12 28±7 南 80±0 4±1 20±6 5±0 20±3 17±3 南格拉球山 70~80 596.9 北 65±0 10±1 40±12 7±1 20±3 14±3 南 60±6 3±1 10±3 4±1 30±9 23±1 说明：盖度和种数为群落内各样方的平均值±标准差 2.2 森林群落物种多样性特征
2.2.1 北坡森林群落物种多样性特征
从图1可见：4座火山北坡森林群落的各层次物种多样性指数有差异。Margalef指数和Shannon-Wiener指数从大到小依次为乔木层、草本层、灌木层，乔木层最大值分别为东焦得布山和尾山，最小值都为小孤山；灌木层最大值都为东焦得布山，最小值分别为南格拉球山和尾山；草本层最大值都为尾山，最小值都为南格拉球山。Simpson指数和Pielou指数从大到小依次为乔木层、灌木层、草本层，乔木层最大值都为尾山，最小值分别为小孤山和东焦得布山；灌木层最大值都为东焦得布山，最小值都为尾山；草本层最大值分别为尾山和东焦得布山，最小值都为南格拉球山。可见，4座火山北坡森林群落物种多样性主要受乔木层的影响；乔木层尾山的多样性指数、优势度指数和均匀度指数都最高，而小孤山的丰富度指数、多样性指数和优势度指数都最低；灌木层东焦得布山4种多样性测度指标都最大，而尾山多样性指数、优势度指数和均匀度都最小；草本层尾山物种的丰富度指数、多样性指数和优势度指数都最高，而南格拉球山4种多样性测度指标都最低。方差分析表明：4座火山北坡间，Margalef在乔木层是极显著差异(P＜0.01)，在草本层是显著差异(P＜0.05)；Shannon-Wiener指数在乔木层是显著差异外(P＜0.05)，其余群落内各层次的各种多样性指数均无显著差异(表2)。
图 1 五大连池火山北坡森林群落物种多样性特征Figure 1 Diversity index of forest communities in north slope of Wudalianchi Volcanoes表 2 五大连池火山森林群落多样性指数的方差分析和变异系数Table 2 One-way ANOVA and variation coefficient of the diversity index of forest communities in Wudalianchi Volcanoes多样性指数 层次 北坡 南坡 南北坡间 平均值 F P 变异系数 平均值 F P 变异系数 F P 变异系数 Margalef指数 乔木层 1.087±0.076 8.436 0.007** 0.234 0.443±0.080 0.235 0.869 0.188 34.135 0.000** 0.505 灌木层 0.588±0.039 0.871 0.495 0.125 0.196±0.058 0.472 0.711 0.455 32.885 0.000** 0.579 草本层 0.644±0.181 4.220 0.046* 0.843 0.899±0.117 3.369 0.084 0.354 1.347 0.259 0.563 Simpson指数 乔木层 0.688±0.027 2.639 0.121 0.107 0.212±0.048 0.097 0.959 0.160 78.882 0.000** 0.573 灌木层 0.432±0.041 1.155 0.385 0.200 0.160±0.049 0.701 0.581 0.562 18.448 0.000** 0.577 草本层 0.409±0.070 3.849 0.057 0.506 0.611±0.038 2.252 0.170 0.154 6.020 0.023* 0.359 Shannon-
Wiener指数乔木层 1.342±0.074 4.687 0.036* 0.168 0.391±0.077 0.080 0.969 0.127 79.321 0.000** 0.611 灌木层 0.716±0.073 1.156 0.384 0.216 0.244±0.073 0.616 0.626 0.526 20.742 0.000** 0.609 草本层 0.750±0.160 3.306 0.078 0.605 1.193±0.110 4.108 0.056 0.264 5.020 0.036* 0.443 Pielou指数 乔木层 0.834±0.026 0.987 0.447 0.063 0.353±0.057 0.116 0.948 0.121 62.497 0.000** 0.443 灌木层 0.728±0.049 1.204 0.369 0.147 0.306±0.091 0.746 0.558 0.582 17.356 0.000** 0.527 草本层 0.615±0.087 3.958 0.053 0.418 0.809±0.026 0.446 0.727 0.044 4.234 0.052 0.280 说明：*表示差异显著(P＜0.05)；**表示差异极显著(P＜0.01) 4座火山北坡间，群落内各层次的物种多样性指数呈不同变化。本研究用变异系数定量表示群落物种多样性指数空间变化程度的差异(表2)。草本层的各种多样性指数变化最大，乔木层的Simpson指数和Pielou指数变化最小。因此，乔木层在物种多样性指数的空间变化上比灌木层和草本层更稳定，草本层表现出最大的空间差异。
对4座火山北坡森林群落内各层次物种多样性指数进行相关分析(表3)表明：乔木层与草本层的各指数均呈正相关性，而乔木层与灌木层、灌木层与草本层之间仅丰富度指数呈正相关性，其他各指数间均呈负相关。说明4座火山北坡森林群落物种多样性主要受乔木层和草本层的影响。
表 3 五大连池火山森林群落层次间多样性指数的相关系数Table 3 Correlation coefficients of the diversity index between forest community layers in Wudalianchi Volcanoes坡向 Margalef指数 Simpson指数 Shannon-Wiener 指数 Pielou指数 乔木层-
灌木层乔木层-
草本层灌木层-
草本层乔木层-
灌木层乔木层-
草本层灌木层-
草本层乔木层-
灌木层乔木层-
草本层灌木层-
草本层乔木层-
灌木层乔木层-
草本层灌木层-
草本层北 0.493 0.312 0.117 −0.146 0.462 −0.342 −0.112 0.552 −0.404 −0.410 0.114 −0.334 南 0.162 0.298 0.222 0.049 −0.243 0.275 0.124 −0.103 0.261 0.128 −0.264 0.476 2.2.2 南坡森林群落物种多样性特征
从图2可见：4座火山南坡森林群落中的各层次物种多样性有差异。Margalef指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数和Pielou指数从大到小依次为草本层、乔木层、灌木层。乔木层Margalef指数、Simpson指数和Shannon-Wiener指数最大值都是东焦得布山，最小值都是南格拉球山；乔木层Pielou指数最大值为小孤山，最小值为东焦得布山。灌木层4种多样性指数最大值都为南格拉球山，最小值都为尾山；草本层Margalef指数、Simpson指数和Shannon-Wiener指数最大值都是东焦得布山，草本层Pielou指数最大值为小孤山，草本层4种多样性指数最小值都为南格拉球山。可见，4座火山南坡森林群落物种多样性主要受草本层和乔木层的影响。乔木层东焦得布山的丰富度指数、多样性指数和优势度指数都最大，而南格拉球山4种多样性指数都最小；灌木层南格拉球4种多样性指数都最大，而尾山4种指数都最小；草本层东焦得布山的丰富度指数、多样性指数和优势度指数都最大，而南格拉球山4种多样性指数都最小。
图 2 五大连池火山南坡森林群落物种多样性特征Figure 2 Diversity index of forest communities in south slope of Wudalianchi Volcanoes4座火山南坡间，群落内各层次的各种物种多样性指数均无显著差异(表2)。4座火山南坡间，灌木层的各种多样性指数变化最大，乔木层的Simpson指数和Shannon-Wiener指数总体上变化最小，草本层的均匀度指数变化最小。因此，乔木层和草本层在物种多样性指数的空间变化上表现出比灌木层更稳定，灌木层表现出最大的空间差异。
对4座火山南坡森林群落内各层次物种多样性指数进行相关分析(表3)表明：乔木层与灌木层、灌木层与草本层各指数均呈正相关，而乔木层与草本层之间仅丰富度指数呈正相关，其他指数均呈负相关。说明4座火山南坡森林群落物种丰富度主要受草本层的影响。
2.2.3 南北坡向间森林群落物种多样性特征比较
由表2可知：4种多样性指数都是乔木层和灌木层北坡高于南坡，草本层北坡低于南坡，说明北坡乔木层和灌木层的物种多样性指数高于南坡，而草本层低于南坡。同时，南北坡向间仅草本层的Margalef指数没有显著差异，其余物种多样性指数均呈极显著(P＜0.01)或显著差异(P＜0.05)。北坡乔木层和灌木层的Simpson指数和Pielou指数的变异系数都低于南坡，而北坡草本层物种多样性指数的变异系数均高于南坡。同时，南北坡向间物种多样性指数的变异系数都较大。
2.3 森林群落稳定性特征
2.3.1 北坡森林群落稳定性特征
从图3可见：4座火山北坡森林群落的年龄结构均为稳定型，群落表现稳定增长状态。小孤山Ⅱ~Ⅵ龄级(40~80 a)的乔木株数占个体总数的69.74%，且无Ⅰ龄级(0~20 a)个体，处于成熟树阶段，群落的稳定性较差，其余3座山Ⅱ~Ⅲ龄级(20~60 a)的乔木株数分别占总数的73.53%(东焦得布山)、56.56%(尾山)和75.90%(南格拉球山)，处于中龄树阶段，群落的稳定性较好。
图 3 五大连池火山北坡森林群落的年龄结构Figure 3 Age structure of forest communities in north slope of Wudalianchi Volcanoes
图 4 五大连池火山北坡紫椴的年龄结构Figure 4 Age structure of T. amurensis in north slope of Wudalianchi Volcanoes
图 5 五大连池火山南坡森林群落的年龄结构Figure 5 Age structure of forest communities in south slope of Wudalianchi Volcanoes由表4可知：在北坡各山体的乔木层中，紫椴的重要值相对较高，其次为色木槭、山槐和黑桦，表明紫椴在北坡各山体的群落中重要性较大。为了更好地分析北坡群落的稳定情况，进一步对北坡乔木层中重要值最大的紫椴的年龄结构进行分析。
表 4 五大连池火山森林群落乔木树种的重要值Table 4 Tree species with importance value of forest communities in Wudalianchi Volcanoes研究区 坡向 重要值 山槐 山杨 紫椴 黑桦 蒙古栎 色木槭 白桦 黄榆 春榆 裂叶榆 黄檗 东焦得布山 北 1.07 0.19 0.74 0.15 − 0.53 0.03 0.09 0.02 0.09 0.06 南 − 0.04 0.35 0.10 2.49 0.02 − − − − 0.01 小孤山 北 − 0.53 1.51 0.18 − 0.68 − − − 0.10 − 南 0.01 − 0.11 0.22 2.65 0.01 − − − − − 尾山 北 0.20 0.32 0.84 0.05 0.31 0.78 0.46 0.03 − − − 南 − − 0.01 0.01 1.67 0.31 − − − − − 南格拉球山 北 0.09 0.23 0.79 0.48 0.40 0.64 0.24 0.04 − 0.28 − 南 − − − 0.15 2.72 0.13 − − − − − 说明：山槐Maackia amurensis，山杨Populus davidiana，白桦Betula platyphylla，黄榆Ulmus macrocarpa，春榆Ulmus japonica， 裂叶榆Ulmus laciniata，黄檗Phellodendron amurense。–表示没有数值 由图4可知：4座火山的紫椴年龄结构均呈稳定型，Ⅱ~Ⅲ龄级个体数分别占总数的80.49%(东焦得布山)、56.76%(小孤山)、78.79%(尾山)和62.22%(南格拉球山)，都处于中龄树阶段，群落的稳定性都较好，为稳定增长种群。群落的发展变化是以各个体的变化以及增减来实现的，年龄结构正是变化的依据，说明4座火山北坡森林群落处于稳定增长型状态。
2.3.2 南坡森林群落稳定性特征
由图5可知：4座火山南坡森林群落的年龄结构均为稳定型，群落处于稳定状态。小孤山Ⅱ~Ⅵ龄级的乔木株数占总数的85.62%，处于成熟树阶段，群落的稳定性较差，其余3座山Ⅱ~Ⅲ龄级的乔木株数分别占总数的80.18%(东焦得布山)、59.16%(尾山)和80.41%(南格拉球山)，都处于中龄树阶段，群落的稳定性较好。
由表4可知：在南坡各山体的乔木层中蒙古栎的重要值较高，其次为紫椴和黑桦，表明蒙古栎在南坡各山体的群落中重要性较大。为了更好地分析南坡群落的稳定情况，进一步对南坡乔木层中重要值最大的蒙古栎的年龄结构进行分析。从图6可见：4座火山蒙古栎的年龄结构均呈稳定型，Ⅲ~Ⅵ龄级个体数分别占总株数的94.44%(东焦得布山)、86.82%(小孤山)、98.52%(尾山)和58.53%(南格拉球山)，均处于成熟树阶段，群落的稳定性都较好，为稳定型种群，说明4座火山南坡森林群落处于稳定状态。
图 6 五大连池火山南坡蒙古栎的年龄结构Figure 6 Age structure of Q. mongolica in north slope of Wudalianchi Volcanoes2.3.3 南北坡向间森林群落物种稳定性特征比较
由图3~6可知：4座火山Ⅱ~Ⅲ龄级(20~60 a)的乔木株数分别占总数的比例均是北坡低于南坡，且北坡的龄级明显多于南坡。同时，北坡重要值最大的树种紫椴的Ⅱ~Ⅲ龄级个体数分别占总数的比例大，而南坡4座火山重要值最大的树种蒙古栎的Ⅲ~Ⅵ龄级个体数分别占总数的比例高达94.44%(东焦得布山)、86.82%(小孤山)、98.52%(尾山)、58.53%(南格拉球山)，且蒙古栎的龄级少于紫椴。综上可知，北坡森林群落的稳定性强于南坡。
3. 讨论
3.1 森林群落结构与物种多样性的关系
从群落结构的角度来研究生物群落的物种多样性是很有意义的，因为森林群落结构是群落中植物与植物之间、植物与环境之间相互关系的可见标志，也是群落其他特征的基础[25-26]。本研究各山体森林群落的乔木层和灌木层物种数北坡较南坡丰富，北坡物种多样性各指数也高于南坡，同时，森林群落结构较复杂的东焦得布山整体上物种多样性指数高。在各山体间南北坡上森林群落乔、灌、草3层物种丰富度和多样性变异都有差别。乔木层的Simpson指数变化都是最小，北坡上草本层的物种多样性各指数变化在各群落间表现出最大的差异，南坡上灌木层的物种多样性指数变化在各群落间表现出最大的差异，其原因在于物种多样性指数不仅受均匀度指数的影响，还受到物种丰富度的制约。各山体北坡森林群落间乔木层和草本层的物种数相差较大，故使群落间丰富度指数在乔木层和草本层分别是极显著差异和显著差异，Shannon-Wiener指数在乔木层是显著差异，且北坡上各森林群落内乔木层与草本层的物种多样性各指数均呈正相关。可见，北坡上乔木种类数量对草本物种有影响，而灌木层的物种数相差较小，导致物种多样性各指数没有显著差异；南坡森林群落间乔木、灌木、草本层物种数目相差不大，群落间各层次的物种多样性各指数均无显著差异，且南坡上各森林群落内乔木层与灌木层、灌木层与草本层的种物种多样性指数均呈正相关。
3.2 森林群落物种多样性与稳定性的关系
物种多样性和稳定性是植物群落的2个属性，它们之间的相互关系和相互影响已引起了国内外许多生态学者的关注[1, 8-9, 26]。均匀度是群落物种多样性研究中重要的概念[27]。以均匀度来考虑物种多样性与群落稳定性的关系时，群落的物种均匀度指数越高，群落的物种间相互差异越不显著，说明群落的稳定性越高，从演替动态的角度来看其稳定性就越高[1]。本研究森林群落物种多样性结果表明：乔木种群对群落具有支配作用，决定着群落的发展趋势，能够反映整个群落的物种多样性动态规律。因此，探知乔木层物种多样性与群落稳定性的问题，更有利于认知森林群落物种多样性与其稳定性之间的关系。高贤明等[1]在暖温带若干落叶阔叶林群落物种多样性及其与群落动态的关系研究发现：3个栎属Quercus林均匀度指数均较高，为0.56~0.76，是比较稳定的群落类型。本研究南北坡向各森林群落内乔木层的物种均匀度指数均较高，分别为0.31~0.41和0.77~0.89，是比较稳定的群落。森林群落的稳定程度和发展趋向，是受群落内外诸种生态学因素所决定。但是不管多方面的因素如何影响，影响的原因何等复杂，最终是以群落中各种群的变化来作为承受其结果的表达。因此，在群落的发展过程中，群落结构和相应种群结构变化可从年龄结构反映出来，相对稳定的森林群落应有相对稳定的种群结构，因而有相对稳定的年龄结构。不同稳定程度的森林群落的年龄结构图与种群的年龄结构图相近[22]。本研究南北坡森林群落的年龄结构都是稳定型，重要值高的蒙古栎和紫椴种群的年龄结构也都是稳定型，这说明南北坡各森林群落处于稳定状态。
3.3 坡向对森林群落多样性和稳定性的影响
在局部地区较小的尺度上，物种丰富度、多样性指数和均匀度指数也受到环境因素的影响。因为物理和生物因子的异质性发生在空间的各个尺度上，即使微生境如1株树或1束灌丛就可产生资源的异质性，从而影响其他生命体的分布(包括种类和数量)[28]。坡向影响了非生物资源分配，对地表接收的太阳辐射量能够产生较大的影响，进而使不同坡向的光、热、水、土等自然因素呈现较大的差异，营造局部小气候，从而使不同坡向的群落结构和群落物种多样性等产生相应的变化。在五大连池老期火山，南坡与北坡植物群落上层的主要生态因子光照和与之相关的水分和温度等生态因子存在一定的差异，耐干旱、瘠薄、喜光惯生长于阳坡的乔木和灌木种类少，耐阴湿惯生于北坡的乔木和灌木种类多，物种多样性增加，但同时北坡灌木种类多且盖度大导致草本植物可获得生长机会减少，致使北坡草本种类少且盖度小，物种多样性较南坡低。综上表明：北坡与南坡群落上层的光照、水分与温度等生态因子的差异导致北坡的乔木层和灌木层的物种多样性各指数均大于南坡，而草本层的物种多样性低于南坡，南北坡向间物种多样性各指数差异显著且变异系数都较大。稳定性与多样性具有更为复杂的关系，植物种的多样性并不能完全代表群落的稳定性，但却是群落稳定性的必要条件[29]。闫东锋等[30]在宝天曼栎属天然林物种多样性与稳定性研究中，通过群落物种多样性与稳定性相关机制的讨论，认为在森林生态系统中，物种多样性高可以导致较强稳定性，两者具有显著的正相关关系，并且发现最稳定的群落及不稳定的群落乔木层多样性指数的最大值分别为1.99和0.46。李凤英等[31]在凉水国家级自然保护区森林群落结构及物种多样性分析研究中发现：红松Pinus koraiensis-白桦Betula platyphylla森林群落乔木层多样性指数为2.08。本研究森林群落乔木层多样性最高值在北坡，为1.49，同时，北坡森林群落的年龄结构也较稳定，重要值显著高的紫椴种群的年龄结构也较稳定。综上所述，五大连池火山北坡森林群落多样性指数较高，且森林群落稳定性更好。
五大连池4座老期火山森林群落结构北坡较南坡丰富，北坡的乔木层和灌木层的物种多样性指数均大于南坡，而草本层的物种多样性低于南坡，南北坡向间物种多样性指数差异显著且变异系数都较大。北坡森林群落多样性指数也较南坡高，且森林群落稳定状态更好。同时，山体间森林群落结构较复杂的东焦得布山整体上物种多样性指数也较高。
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图 1 薄壳山核桃LBD基因家族系统进化树
Figure 1 Phylogenetic tree constructed based on the full-length sequences of pecan LBD genes using JTT+CAT algorithm with FastTree software
图 2 薄壳山核桃LBD转录因子家族系统发育树和保守蛋白质基序结构
Figure 2 Phylogenetic tree constructed based on the full-length sequences of pecan LBD genes using JTT+CAT algorithm with FastTree software
图 3 薄壳山核桃LBD 转录因子家族LOB蛋白质结构域多序列比对
Figure 3 Multiple sequence alignment of LOB domain in C. illinoensis transcription factor family
图 4 利用从裸子植物银杏到高等植物551个LBD基因全长蛋白质序列构建系统发育树
Figure 4 Phylogenetic tree constructed based on the full-length sequences of 551 LBD genes from gymnosperm ginkgo to higher angiosperms
图 5 薄壳山核桃LBD 转录因子家族胚发育表达模式
Figure 5 Transcriptome expression profile of LBD gene family in embryo development
表 1 多物种LBD基因鉴定结果
Table 1. Identify result of LBD genes in multi-species
鉴定程序 基因数量/个 银杏 无油樟 蓝星睡莲 水稻 拟南芥 葡萄 大豆 核桃 山核桃 薄壳山核桃 BLASTX 90 45 51 61 91 98 153 87 89 80 HMMER 50 26 35 29 58 57 116 72 56 52 
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表 2 薄壳山核桃LBD转录因子家族蛋白质理化性质
Table 2. Physicochemical properties of LBD transcription factor family protein in C. illinoensis
蛋白质 氨基酸残基数/个 分子量/kD 理论等电点 酸性氨基酸/个 碱性氨基酸/个 不稳定系数 脂肪系数 总平均亲水性 pecanLBD1 210 23 309.19 8.24 17 19 47.65 73.52 −0.485 pecanLBD2 208 22 353.77 7.55 20 21 58.32 88.65 0 pecanLBD3 288 31 617.01 8.99 29 35 61.92 76.88 −0.326 pecanLBD4 223 24 069.37 7.69 17 18 73.89 77.89 −0.171 pecanLBD5 188 20 808.56 7.63 17 18 67.24 69.15 −0.490 pecanLBD6 260 28 451.22 8.23 31 34 52.55 69.38 −0.501 pecanLBD7 156 17 540.20 9.03 12 18 55.87 78.91 −0.235 pecanLBD8 172 18 611.24 8.59 14 17 61.24 70.35 −0.238 pecanLBD9 276 30 985.11 8.55 28 32 30.84 76.96 −0.522 pecanLBD10 326 36 029.86 6.91 23 22 64.45 77.58 −0.472 pecanLBD11 204 22 376.57 7.53 18 19 60.78 77.99 −0.233 pecanLBD12 232 25 857.68 5.90 21 14 50.52 65.22 −0.425 pecanLBD13 170 18 808.03 6.42 18 17 65.04 57.47 −0.607 pecanLBD14 202 21 823.68 8.59 14 17 57.41 80.20 −0.175 pecanLBD15 203 23 706.08 8.15 27 29 52.00 77.39 −0.556 pecanLBD16 191 20 998.77 6.08 19 17 70.05 72.04 −0.423 pecanLBD17 230 25 054.58 9.22 17 23 78.94 70.04 −0.284 pecanLBD18 172 18 626.23 8.82 14 18 67.64 73.14 −0.296 pecanLBD19 306 33 113.72 7.95 33 35 46.03 81.54 −0.280 pecanLBD20 162 18 029.72 6.70 14 14 51.76 88.52 −0.133 pecanLBD21 127 14 182.02 4.48 14 7 36.18 92.20 −0.246 pecanLBD22 176 19 971.98 5.17 25 18 44.88 80.34 −0.186 pecanLBD23 130 15 042.74 9.84 10 25 45.43 77.23 −0.541 pecanLBD24 162 18 285.75 8.23 13 15 57.65 78.40 −0.337 pecanLBD25 214 23 771.70 8.25 17 19 49.42 74.44 −0.472 pecanLBD26 310 33 384.03 8.22 34 37 47.44 80.87 −0.302 pecanLBD27 168 18 892.28 6.28 17 13 72.86 63.87 −0.476 pecanLBD28 215 23 539.68 5.33 18 14 75.47 70.88 −0.272 pecanLBD29 167 18 504.18 6.94 15 15 59.00 81.80 −0.217 pecanLBD30 176 19 230.73 6.50 18 17 69.15 73.75 −0.242 pecanLBD31 169 18 881.58 6.49 17 16 51.28 79.59 −0.219 pecanLBD32 236 26 157.91 5.74 22 13 46.73 65.76 −0.405 pecanLBD33 213 23 405.50 7.06 19 19 65.23 67.37 −0.380 pecanLBD34 326 37 266.20 5.47 54 35 49.05 74.29 −0.813 pecanLBD35 251 27 236.49 6.44 24 22 59.55 80.08 −0.322 pecanLBD36 228 24 949.42 6.29 17 16 83.40 71.05 −0.271 pecanLBD37 228 24 709.22 8.06 22 24 59.20 76.14 −0.244 pecanLBD38 216 23 449.53 6.03 17 13 64.11 75.05 −0.227 pecanLBD39 158 17 663.15 6.27 15 13 53.44 80.25 −0.243 pecanLBD40 221 24 171.04 4.97 21 12 58.45 78.60 −0.143 pecanLBD41 265 30 244.09 6.42 33 29 46.86 77.66 −0.594 pecanLBD42 237 24 801.38 8.20 13 15 69.07 79.87 −0.065 pecanLBD43 213 23 452.55 6.74 19 18 56.45 80.61 −0.203 pecanLBD44 224 24 373.77 8.93 17 22 69.41 73.62 −0.276 pecanLBD45 202 21 927.15 8.56 19 23 54.66 83.47 −0.159 pecanLBD46 221 24 114.37 9.01 18 23 73.18 66.29 −0.421 pecanLBD47 289 32 466.21 5.27 29 21 67.19 65.92 −0.600 pecanLBD48 176 19 971.98 5.17 25 18 44.88 80.34 −0.186 pecanLBD49 170 18 770.95 6.19 19 17 60.44 55.18 −0.615 pecanLBD50 92 10 319.08 6.26 11 10 39.17 115.65 0.018 pecanLBD51 313 34 650.03 7.29 20 20 64.34 73.07 −0.490 pecanLBD52 320 35 091.25 6.83 23 21 66.59 67.53 −0.593
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