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植物生长激素能够调节或者影响植物不同的生理过程，比如顶端优势、侧根萌发、导管分化、胚胎发育和芽的伸长，也可以促进细胞的分裂、延伸和分化[1]。在分子水平上，生长素能够特异性地调节基因的表达[2]。生长素信号转导相关的3类主要蛋白是Aux/IAAs，ARFs和SCF复合体[3-4]。作为生长素信号途径一个重要的成员，ARFs基因能够通过结合生长素启动子上的AuxRE来调控生长素反应基因的表达[5]。这些ARFs基因调控不同的发育过程，比如顶芽形成，导管组织的形成，胚胎、花和果实的形成[6]。一个经典的ARF蛋白，结构相对简单，大部分蛋白的分子量为70~130 kD，含有3个保守的结构域，它们分别是N末端DNA结合结构域（DBD），中间区域（MR）和C末端二聚体结构域（CTD）。不同的结构域也决定ARF不同的功能，DBD在信号转导中起着鉴别作用，CTD可以使ARF之间形成二聚体，而MR则起着转录激活或抑制的功能[7]。ULMASOV等[8]鉴定出第1个ARF基因，即AtARF1，先后在拟南芥Arabidopsis thaliana和水稻Oryza sativa中鉴定出23和25个ARF基因[9-10]。ARFs大部分在植物中发现，比如在双子叶、单子叶、裸子和蕨类植物中都有发现，但是在动物和微生物中至今没有发现。因此，ARFs是植物中特有的一类转录因子[11]。ARF的生物学功能主要来自拟南芥ARF基因功能缺失的表型，到目前为止，已经发现很多ARF基因及其功能，比如ARF3和ARF7[12-14]。研究表明：拟南芥arf3的突变体会出现花蕊基部和顶端的发育不良，说明ARF3在调节花器官发育上起作用；缺失ARF7，导致上胚轴的向光性和下胚轴的向地性功能的消失。这2个ARF基因有着不同的功能，很少在功能上出现冗余现象。毛竹Phyllostachys edulis与水稻、玉米Zea mays等同属于禾本科Gramineae单子叶植物，但是，毛竹营养生长周期长，开花时期不确定，开花后死亡，导致竹林面积减少，对经济发展和生态环境造成重大损失和破坏，竹子开花的调控机制一直是竹类植物研究中的难点和热点。目前，ARF家族基因在模式植物拟南芥、水稻、玉米中已有研究，而毛竹ARF家族基因在花器官和幼胚发育上鲜有报道。本研究通过生物信息学的方法，根据毛竹的基因组，鉴定ARF基因家族，进行进化树分析、基序分析、基因差异表达模式分析，为研究ARF基因在毛竹花和种子发育过程中的功能奠定基础。
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毛竹开花实验地位于广西壮族自治区桂林市南岭山系的西南部。该毛竹林属于自然生长状态，基本无人为干扰。以毛竹的花器官为材料，进行解剖，分离出花芽、苞片、颖片、稃片、雄蕊、雌蕊和幼胚以及未开花的成熟叶片，建立8个样本进行转录组高通量测序。
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从拟南芥基因组数据库（http://www.arabidopsis.org/）和水稻基因组数据库（http://rice.plantbiology.msu.edu/index.html）中分别检索拟南芥和水稻中ARF蛋白序列；毛竹ARF相关蛋白序列从毛竹基因组数据库（http://www.bamboogdb.org/index.jsp）中获得。毛竹PheARF家族蛋白的序列号，开放阅读框的长度、氨基酸数目、分子质量和等电点在表 1中提供。毛竹ARF分子量及等电点数据通过ExPASY（http://web.expasy.org/compute_pi/）获得。
表 1 毛竹中ARF成员数量及其属性
Table 1. Properties and numbers of ARF identified from Phyllostachys edulis
ARF蛋白名称 毛竹ARF序列号 氨基酸长度 开放阅读框/bp 等电点 分子量/kD PheARFl PH0l0l3505G00l0 278 837 7.61 31.67 PheARF2 PH0l008675G00l0 260 780 6.70 28.56 PheARF3 PH0l0076l2G00l0 672 2 0l9 5.72 74.77 PheARF4 PH0l005322G00l0 792 2 379 6.09 87.49 PheARF5 PH0l00AEAlG0lA0 832 2 499 5.84 92.70 PheARF6 PH0l00A096G0200 92l 2 766 5.3l l02.29 PheARF7 PH0l002857G0060 708 2 l27 5.99 78.96 PheARF8 PH0l002850G0020 476 l 43l 9.23 54.32 PheARF9 PH0l002806G0200 840 2 523 6.97 93.0l PheARFl0 PH0l002685G0l20 605 l 8l8 6.29 65.89 PheARFll PH0l002498G0280 658 l 977 6.46 72.04 PheARF12 PH0l002l60G0l80 757 2 274 6.l6 84.64 PheARFlA PH0l00l899G0250 728 2 l87 5.68 80.88 PheARF14 PH0l00l690G0Al0 70l 2 l06 6.50 76.99 PheARFl5 PH0l00l555G0390 878 2 637 6.l6 97.8l PheARFlE PH0l00l285G0430 603 l 8l2 7.02 65.37 PheARFl7 PH0l00l2l2G0l90 364 l 095 7.25 39.9l PheARFl8 PH0l00l026G0A00 744 2 235 7.55 8l.07 PheARFl9 PH0l000667G0020 637 l 9l4 5.22 7l.47 PheARF20 PH0l000626G0040 693 2 082 5.34 77.55 PheARF2l PH0l00062AG0440 l l86 3 56l 8.87 l32.0l PheARF22 PH0l000548G0300 985 2 958 6.05 ll0.ll PheARF23 PH01000483G0220 866 2 60l 5.74 96.l5 PheARF24 PH0l000384G0l70 763 2 292 5.36 84.80 PheARF25 PH0l000305G0690 635 l 908 7.25 69.46 PheARF26 PH0l000277G0820 59l l 776 6.90 64.69 PheARF27 PH0l000259Gll20 904 2 7l5 6.60 l00.7l PheARF28 PH0l000227G0020 908 2 727 5.87 l00.72 PheARF29 PH0l000222G0l80 750 2 253 6.ll 83.00 PheARF30 PH0l000l83G0570 897 2 694 6.03 99.ll PheARF3l PH0l000l76G0540 l l2l 3 366 6.2l l24.73 PheARF32 PH0l000ll6G09l0 8l7 2 454 7.6l 90.ll PheARF33 PH0l000ll4G0050 l 257 3 774 6.23 l39.07 PheARF34 PH0l000093G0670 750 2 253 6.82 83.28 PheARF35 PH0l000087Gl340 738 2 2l7 5.85 82.09 PheARF36 PH0l000057Gl420 928 2 787 5.54 l02.92 PheARF37 PH0l000046G0220 734 2 205 6.70 80.5l PheARF38 PH0l000044G0540 439 l 320 5.87 47.45 PheARF39 PH0l0000l8G0940 667 2 004 6.96 74.36 PheARF40 PH0l0000l4G06l0 427 l 284 9.00 47.32 PheARF4l PH0l0000llG0660 554 l 665 5.66 6l.35 PheARF42 PH0l000002G3ll0 828 2 487 6.4l 92.55 PheARF43 PH0l000093G0690 l92 579 5.44 2l.02 PheARF44 PH0l000237G0420 5l4 l 545 8.52 56.44 -
用ClustalX 1.83（http://www.clustal.org/）[15]软件对蛋白全长的多序列比对进行分析，进化树分析前去掉比对序列的差异和不明确序列。用no-rooted neighbor-joining方法通过MEGA 6.0（http://www.megasoftware.net/mega.html）[16]构建系统进化树。
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MEME version 4.11.2（http://meme-suite.org/）[17]在线工具鉴定候选蛋白序列的保守区域，公式为any，maximum number of motifs = 20，minimum width≥ 6和maximum width ≤ 200。
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将花芽、苞片、颖片、稃片、雄蕊、雌蕊和幼胚以及未开花的成熟叶片的FPKM值输入到Cluster 3.0，用Java TreeView生成热点图[18]。
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通过23个拟南芥和25个水稻ARF蛋白序列检索毛竹基因组数据库，共得到44个ARF蛋白（表 1）。从表 1可以看出，ARF家族的蛋白的等电点为5.22~9.23，蛋白序列的长度为192~1 257个氨基酸，分子量的大小为31.70 ~139.07 kD。
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系统进化结果显示：44个基因之间相似性比较高（图 1）。将44个毛竹的ARF蛋白列同23个拟南芥和25个水稻的蛋白序列同时比对，发现可以将这3个物种的ARF分为三大类，分别为Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ。其中有13个基因分布在Ⅰ类，17个基因分布在Ⅱ类，还有14个基因属于Ⅲ类。大部分的PheARFs包含3个经典的结构域：DBD，结构域Ⅱ和AUX/IAA家族结构域。有11个与水稻的同源关系较近的基因对：osAR25/PheARF30（Ⅱ），OsARF16/PheARF40（Ⅱ），OsARF19/PheARF31（Ⅱ），OsARF15/PheARF37（Ⅲ），OsARF2/PheARF14（Ⅲ），OsARF14/PheARF39（Ⅲ），OsARF3/PheARF26（Ⅲ），OsARF13/PheARF38（Ⅲ），OsARF8/PheARF16（Ⅲ），OsARF10/PheARF10（Ⅲ）和OsARF18/PheARF18（Ⅲ）。这些基因大部分出现在Ⅱ类和Ⅲ类中，说明这2类的基因相对比较保守。
图 1 毛竹、水稻和拟南芥ARF的系统进化树分析
Figure 1. Phylogenetic analyses of the ARF proteins in Phyllostachys edulis, Oryza sativa and Arabidopsis thaliana
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为了进一步了解毛竹ARF保守区域的结构，通过MEME在线工具构建基序分析图，结果如图 2所示。毛竹ARF成员含有的基序结构不一，大概有20个不同的基序组成。其中每个基因都包含不同种类的基序，大部分的基序为4~17个。大部分的PheARF基因都包含Motif1~8，Motif10，Motif11，Motif14，Motif18和Motif20等，这些基序出现的次数较多，而Motif13，Motif16和Motif17等基序在这些基因中不常见。从进化角度来看，同源关系较近的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ类的基因在基序的长度和种类较为相似，比如Ⅰ类的PheARF4，PheARF9和PheARF32等，Ⅱ类的PheARF22，PheARF31和PheARF33等，Ⅲ类的PheARF17，PheARF18和PheARF37等。以上结果说明大部分的毛竹ARF家族基因是相当保守的。
图 2 毛竹ARF保守基序分析
Figure 2. Distribution of conserved motifs in Phylloastachys edulis ARF proteins identified using MEME search tool
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为了研究毛竹PheARF基因在花器官发育中的作用和调控机制，进一步分析PheARF基因在花芽、苞片、颖片、稃片、雌蕊、雄蕊、幼胚和未开花的叶中表达分析。结果表明：PheARF12，PheARF13，PheARF14，PheARF15，PheARF24，PheARF35，PheARF43，PheARF23和PheARF32在花芽中高量表达，说明这些ARF基因可能在开花初期起着重要的调控作用（图 3）。在雄蕊中，PheARF9，PheARF29，PheARF31，PheARF10，PheARF4，PheARF22，PheARF11，PheARF25，PheARF40，PheARF8，PheARF39，PheARF1，PheARF44，PheARF45，PheARF42和PheARF41高量表达，但是这些基因在幼胚中表达量极低。PheARF2，PheARF30，PheARF14，PheARF13，PheARF35，PheARF7，PheARF37和PheARF38在雌蕊中表达量较高，同时在幼胚中也高量表达，说明这些基因同时调控毛竹雌蕊形成和幼胚的发育。PheARF13，PheARF14和PheARF35同时在花芽、雌蕊和幼胚中高表达，这3个基因可能既调控开花又能控制花的发育。此外，PheARF5，PheARF18，PheARF27，PheARF10和PheARF4在颖片和稃片中都高量表达，可能调节稃片和颖片的发育。
图 3 毛竹PheARF基因在不同花器官中表达模式分析
Figure 3. Expression analysis of PheARF genes among different flower organs of Phyllostachys edulis
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生长素是植物器官发育和模式形态形成和发育非常重要的信号分子。生长素转导途径中最重要的2类家族分别为ARFs和Aux/IAAs[19]。在发育过程中，ARFs能直接地调控下游靶基因的表达[6, 20]，但大部分的ARF和Aux/IAA都是以家族的形式存在，所以它们在植物体内的调控机制是相当复杂的[21-23]。ARFs基因也参与生殖过程[24]。木瓜Carica papaya和番茄Solanum lycopersicum的ARFs基因家族的分析和鉴定揭示了该家族基因在花和果实的发育过程中具有调控作用[25-26]。在本研究中，通过生物信息学工具，检索44个毛竹的ARF基因。在拟南芥和水稻中的ARF基因分别为23和25个。ARF基因家族在不同植物中成员数量不同，这可能与植物体内的基因组复制有关[27]，而基因数量多少由该基因复制事件的频率决定。毛竹基因组为2 G左右[28]，大于水稻和拟南芥的基因组。以上分析表明：毛竹ARF基因复制事件的频繁发生有可能导致毛竹ARF家族成员数量增多。通过系统进化分析，毛竹ARF家族基因大致分为3个亚组（图 1），亚组内的基因相似性比较高，但是亚组之间相似性不高，或许在基因功能上也有差异。毛竹与拟南芥和水稻的ARF家族的系统进化关系表明，毛竹与水稻之间有11对同源基因对，这些基因对都属于Ⅱ类和Ⅲ类，一方面说明毛竹的ARF家族与水稻有很高的同源性（图 1），另一方面说明毛竹ARF家族Ⅱ类和Ⅲ类的基因保守性很高。
研究人员对水稻和拟南芥的ARF基因进行了广泛地研究[29-31]。ARF基因在花和种子发育中起着非常重要的作用，为研究毛竹的开花及种子发育提供了许多有用的信息。据报道，拟南芥的AtARF3和AtARF4参与花的发育，在花中高量表达[32]。与AtARF3和AtARF4同源的毛竹PheARF14和PheARF37在幼胚和雌蕊中都高量表达，说明2个毛竹ARF基因可能与AtARF3和AtARF4基因功能相似，推测它们在毛竹花和种子发育过程中起着关键的作用。
Bioinformatic analysis and differential expression of auxin response factor (ARF) gene in Phyllostachys edulis
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摘要: 生长素反应因子（ARF）基因家族在植物的生长发育中起至关重要的作用。关于毛竹Phyllostachys edulis ARF基因家族在花器官中生物信息学分析未见报道。以毛竹花器官为材料，采用生物信息学的方法，对毛竹中ARF基因进行筛选，并对其系统进化关系、保守基序及在花器官中的差异表达模式进行了初步的分析。结果表明：毛竹全基因组中含有44个ARF基因，分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ类。与拟南芥Arabidopsis thaliana和水稻Oryza sativa分别比较，发现毛竹与水稻存在11个姐妹同源基因对。此外，PheARF13，PheARF14和PheARF35在花芽、雌蕊和幼胚中高量表达，同时PheARF2，PheARF30，PheARF14，PheARF13，PheARF35，PheARF7，PheARF37，PheARF38在雌蕊和幼胚中高量表达，推测这些基因可能在花发育和种子发育中发挥重要的作用。Abstract: The auxin response factor (ARF) gene family plays a key role in plant growth and developmental processes, such as root and shoot development as well as flower and fruit development. To provide a theoretical basis for flower and seed development of Phyllostachys edulis, a genome-wide analysis of the previously undocumented ARF gene family for Ph. edulis was conducted. In this study a whole-genome survey of Ph. edulis was performed and a detailed analysis of the gene motif and phylogenetic classification was provided. Results showed 44 ARF genes which were classified into three groups. A comparative analysis of the ARF genes among Ph. edulis, rice, and Arabidopsis suggested a total of 11 sister pairs (OsARF-PheARF) providing insights into various orthologous relationships between OsARFs and PheARFs. For ARF expression patterns of diverse floral organs, PheARF13, PheARF14, and PheARF35 showed the highest expression in the flower bud, pistil, and young embryo; whereas, PheARF2, PheARF30, PheARF14, PheARF13, PheARF35, PheARF7, PheARF37, and PheARF38 were highly expressed in the pistil and the young embryo. This study suggested that ARF genes may play a very critical role during flower and fruit development of Ph. edulis.
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Key words:
- forest tree breeding /
- Phyllostachys edulis /
- auxin response factors /
- floral development
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刺槐Robinia pseudoacacia原产于北美洲的亚热带和温带地区，适应性强、繁殖容易，被广泛引种[1]，已被全球入侵物种数据库定为入侵种[2]。20世纪60年代以后，刺槐被作为黄土高原丘陵沟壑区人工林建设的主要造林树种，成为该地区造林面积最大的树种[1]。刺槐作为一种外来种，生长快、耗水强，在许多立地条件差的地方多形成低产林[3]。晋西黄土区处于干旱半干旱地区，侵蚀强烈，生态环境脆弱[4]，研究黄土区刺槐人工林林下多样性具有重要的实际意义。人工林群落物种多样性主要由林下植被反映，而且林下植被的生长发育，填补了地表空白[5]，对森林的生长繁殖以及森林结构的塑造有重要的影响[6]。从已有的研究中可知，刺槐林下阴坡物种多样性大于阳坡[7]；在相同林龄及立地条件下，刺槐林下林分密度越大，林下植被多样性越低[8]。总之，坡度、坡向、密度、林龄等都会对刺槐林下物种多样性产生一定的影响。因此，对于黄土丘陵区引种刺槐这种外来树种进行水土保持造林，会塑造成怎样的生物群落，能否促进生态系统向稳定、环境良好方向永续恢复，还需要进一步的跟踪和长期定位观测研究。本研究通过对晋西黄土区蔡家川流域长期固定观测样地刺槐人工林林下植被的分析，对比当地主要林地类型油松Pinus tabulaeformis人工林和天然次生林林下植被，揭示刺槐人工林林下结构特征、α多样性、β多样性及相似度等特征，以及与油松人工林和天然次生林存在的差异性，进一步揭示刺槐人工林形成的生物群落对当地水土保持和生态恢复的作用，旨在为晋西黄土区蔡家川流域刺槐人工林植被恢复提供基础数据，并为刺槐人工水土保持林管理提供借鉴。
1. 研究方法
1.1 样地设置与调查
研究区位于晋西黄土区蔡家川流域，地理坐标为36°14′27″~36°18′23″N，110°39′45″~110°47′45″E，海拔为900~1 513 m，属于黄河的三级支流，呈东西走向，流域面积为39.33 km2[9]。该区属暖温带半干旱大陆性气候，年平均气温为10.0 ℃，年平均降水量为470.0~600.0 mm。该区土壤为褐土，黄土母质，土壤普遍呈碱性[9]。自1990年退耕还林还草以来，蔡家川流域植被覆盖率显著增加，其中人工林以刺槐、油松、侧柏Platycladus orientalis为主，天然次生林以山杨Populus davidiana，白桦Betula platyphylla和辽东栎Quercus liaotungensis为主[10]。
选择蔡家川流域刺槐人工林作为研究对象，以当地另外2种主要林地类型油松人工林和天然次生林作为对照林地。研究样地的选择坚持代表性原则，能够代表区域内同种林型的整体情况。故根据研究内容和实地踏查情况，在研究区内共布设了15个20 m × 20 m的样地，其中包括9个刺槐人工林样地，3个油松人工林样地和3个天然次生林样地，林龄都在20 a左右，每个样地内设置3个5 m × 5 m的灌木样方，3个1 m × 1 m的草本样方。样地基本信息如表 1所示。
表 1 样地基本信息Table 1. Basic situation of sample plots样地 海拔/m 坡度/(°) 坡向 郁闭度/6 C1 1 132 22 阳坡 69 C2 1 154 20 阴坡 61 C3 1 114 13 半阴坡 68 C4 1 119 16 阴坡 63 C5 1 210 18 阴坡 64 C6 1 215 12 半阴坡 58 C7 1 238 18 阳坡 61 C8 1 289 32 半阴坡 59 C9 1 338 11 阳坡 60 Y1 1 158 15 阳坡 61 Y2 1 112 16 阳坡 10 Y3 1 358 20 阴坡 13 N1 1 109 11 半阳坡 12 N2 1 131 10 阴坡 68 N3 1 152 11 阳坡 10 说明：C，Y，N分别表示刺槐人工林、油松人工林、天然次生林 1.2 数据处理
根据样地调查数据，分析群落结构特征及多样性，其中重要值采用IV=[（相对密度+相对显著度+相对频度）/3]×100来计算。采用丰富度指数（S），Shannon-Wiener指数（H′），Simpson指数（D），Pielou均匀度指数（E）来测定植物群落的α多样性；采用Whittaker指数（βW），Cody指数（βC），Routledge指数（βR）测定植物群落的β多样性；采用Jaccard指数（q）测定植物群落的相似性，根据Jaccard相似性原理，0.00≤q＜0.25表示极不相似，0.25≤q＜0.50表示中等不相似，0.50≤q＜0.75表示中等相似，0.75≤q≤1.00表示极相似[11]。
2. 结果与分析
2.1 群落结构特征
重要值是群落中物种生态适应能力和物种在群落中所处地位的综合指标，其大小是确定优势种和建群种的重要依据[12]。由表 2可见：所有刺槐样地中共包含植物种类37种，其中灌木8种，草本29种。灌木层中黄刺梅Rosa xanthina出现频率为100%，平均重要值为53.11%；杠柳Periploca sepium出现频率为22.22%，平均重要值为9.78%；紫丁香Syringa oblata出现频率为33.33%，平均重要值为9.11%。草本层中蒙古蒿Artemisia monogolica出现频率为22.22%，平均重要值为14.11%；冰草出现频率为55.56%，平均重要值为10.22%；铁杆蒿Artemisia vestita出现频率为66.67%，平均重要值为5.22%。这一结果表明，蔡家川流域刺槐人工林下灌木层中黄刺梅为优势种，杠柳和紫丁香为次优种；草本层中蒙古蒿和冰草Agropyron cristatum为优势种，铁杆蒿Artemisia vestita为次优种。由此可知，刺槐林下灌木层以蔷薇科Rosaceae为主，草本层以菊科Compositae和禾本科Gramineae为主。高艳鹏等[13]指出晋西黄土丘陵沟壑区刺槐人工林下草本优势种主要为禾本科、菊科植物，与本研究所得结论一致。
表 2 刺槐样地内主要物种的重要值Table 2. Importance values of the main species in sample plots of Robinia pseudoacacia plantation层次 物种名 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 灌木层 紫丁香Syringa oblata - - 33 29 - - - 20 - 胡枝子Lespedeza bicolor - - - l4 l8 - - - - 黄刺梅Rosa xanthina 86 80 l9 29 55 l7 90 40 62 灰栒子Cotoneaster acutjfolius - - - - - - - - - 妙棘Hippophae rhamnoides - - 5 l4 - - - - - 山檀叶悬钩子Rubus crataegifolius - 7 ll 20 - - 9 - 9 酸枣Ziziphus jujuba var. spinosa 14 10 - - 27 - - - - 杠柳FeripZoca sepium - - - 14 - 74 - - - 草本层 猪毛嵩Artemisia scoparia - 12 6 - - - - - - 碱菀Tripolium vulgare - 7 2 - - - - - - 莎草Cyperus rotundus 3 9 - - - - - - - 针茅Stipa capillata 5 7 - 2 - - - - - 甘草Glycyrrhiza uralensis - 1 - - 7 - - - - 苦荬菜Ixeris denticulata - 3 1 - - 6 - 10 - 紫花地丁Viola philippica - 1 - - 2 10 - - - 委陵菜Potentilla chinensis - 3 - 11 7 10 - 7 - 油嵩Artemisia ordosica - 4 - - - - - - - 蒙古嵩Artemisia mongolica - - 43 - - - 84 - - 乳浆大戟Euphorbia esula - 1 1 7 - 9 - 9 - 早熟禾Poa annua - - 32 - - - - - - 野豌豆 Sesbania cannabina - 6 1 1 2 - - 1 - 铁杆嵩Artemisia vestita - - - 16 11 3 1 15 1 艾嵩Artemisia vulgaris - - - 3 4 - - 1 3 白头翁Pulsatilla chinensis - - - 11 2 5 - 12 7 黄花龙牙Patrinia scabiosaefolia - 1 - 3 7 1 3 5 1 冰草Agropyron cristatum - - - 1 2 2 - 2 85 蒲公英Taraxacum mongolicum - 3 - 5 2 5 - 7 - 祁州漏芦Rhaponticum uniflorum - - - 6 - 2 - 4 - 茵陈嵩Artemisia capillaris 1 11 - - 4 1 - - - 长芒草Stipa bungeana 5 13 - 3 2 2 - 11 - 柴胡Bupleurum chinense - - - 7 2 - - 2 - 白羊草Bothriochloa ischaemum - - - 6 5 - - 8 - 矮臺草Carex supina - - - - 5 - - - - 风毛菊Saussurea japonica - 1 - - 5 - - - - 芦苇Phragmites australis - - - - 4 - - - - 狭叶青嵩Artemisia dacunculus - - - - 5 - - - - 茜草Rubia cordifolia 7 9 3 7 4 11 1 1 1 说明：“-”表示该样地内没有该种植物或者IV＜1 2.2 群落α多样性分析
物种多样性是指群落中的物种数目、个体数及个体分配均匀度的综合。从图 1可以看出：D值灌木层和草本层的起伏波动比较大，没有明显的规律；H′值在所有样地中灌木层小于草本层；E值有2/3的样地灌木层小于草本层。相比灌木层，草本层多样性指数更高，多样性指数的最大值均出现在草本层，而且从平均值看，草本层的D值（0.73），H′值（1.67）和E值（0.77）均大于灌木层的D值（0.50），H′值（0.86）和E值（0.33）。总之，草本层α多样性大于灌木层的α多样性。卢宝明等[14]在研究北京山地植物群落的物种多样性中也得出，灌木层的α多样性指数明显小于草本层的α多样性指数。
结合对照组油松人工林和天然次生林的数据，分析3种林型之间的D值，H′值和E值，从而研究刺槐人工林与其他林型之间α物种多样性的差异（图 2和图 3）。图 2分别描述了3种林型灌木层的D值，H′值和E值，在灌木层，刺槐人工林的3个指数的均值、最小值都小于其他2种林型；从3个指数分布范围可以看出：灌木层的α多样性表现为刺槐人工林＜油松人工林＜天然次生林。
图 3分别描述了3种林型草本层的D值，H′值和E值。从3个指数集中范围可以看出：油松林草本层α多样性＜刺槐林＜天然林；刺槐林D值的均值与油松林较接近，都小于天然次生林；刺槐林E值的均值低于其他2种林型；H′值的均值稍大于油松人工林，但仍小于天然次生林。即2种人工林灌木层和草本层α多样性指数都小于天然林。通过对比图 2和图 3可以看出：同种林型之间，灌木层物种多样性指数小于草本层物种多样性指数。
2.3 群落β多样性分析
利用Whittaker指数（βW），Cody指数（βC）和Routledge指数（βR）求β多样性，分别计算C1~C9与Y1，Y2，Y3，N1，N2，N3之间的β多样性指数，然后求各组的平均值，得到刺槐林与油松林、刺槐林与天然林之间的β多样性指数（表 3），从而分析刺槐人工林、油松人工林和天然次生林之间的物种多样性差异。从表 3可以得出：刺槐林与油松林之间的β多样性要小于刺槐林与天然林之间的β多样性。由此表明：刺槐林与天然林之间植被差异性要大于刺槐林与油松林之间的植被差异性。同时，分析刺槐人工林和油松人工林及天然次生林之间的β多样性得出，草本层β多样性指数＞灌木层β多样性指数。
表 3 刺槐人工林与其他林型之间β多样性指数Table 3. β diversity index between Robinia pseudoacacia plantation and other communities林型 层次 βW βC βR C-Y 灌木层 1.54 1.93 7.51 草本层 3.25 6.37 28.00 C-N 灌木层 1.20 2.22 7.53 草本层 3.43 7.02 28.80 说明：C-Y表示刺槐人工林与油松人工林之间的β多样性；C-N代表刺槐人工林与天然次生林之间的β多样性 2.4 群落相似性分析
采用Jaccard相似性系数作为不同样地相似性的度量标准，分析各样地之间灌木层相似性和草本层相似性（图 4）。从图 4可以得知：在灌木层，各群落之间“中等不相似”出现概率最大，占总数的49.52%，而“极相似”概率最小，仅占总数的1.90%，所以，所调查的样地之间灌木层相似度处于中等偏低水平；在草本层，各群落之间“极不相似”占总数的66.67%，“极相似”占0.95%，所以，所调查样地之间的草本层相似度处于较低水平；同时，从图 4可以得出，灌木层相似性＞草本层相似性。分别计算不同林型和不同林层之间相似性系数的平均值，得出灌木层相似性系数均值规律为：刺槐人工林与刺槐人工林之间的相似性系数＞刺槐人工林与油松人工林之间的相似性系数＞刺槐人工林与天然次生林之间的相似性系数；草本层也满足这一规律。
图 4 样地间林下群落相似性Figure 4. The similarity index of understory communities in different sample plots3. 结果与讨论
揭示人工林林下物种组成，不仅是评估人工林生态功能的一个重要途径，也是判断人工林生态功能恢复效果的一个必要手段[15]。在本研究中，刺槐人工林林下灌木层中黄刺梅为优势种，杠柳和紫丁香为次优种；草本层中蒙古蒿和冰草为优势种，铁杆蒿为次优种；灌木层以蔷薇科为主，草本层以菊科和禾本科为主，与其他学者结论一致[16]。在杨晓毅等[17]的研究中，封山育林自然恢复10 a以后的刺槐人工林下共有58种植物，包括12种灌木和46种草本。本研究中的刺槐人工林均位于固定样地内，受到人为干扰，林下物种共有37种，包括灌木8种，草本29种，均低于封山育林后的物种数，所以适当地对人工林进行短期的封山育林可以改善林下群落结构，提高群落稳定性，其他学者也得出短期的封山育林会对林下植被的物种多样性及植被的生长产生显著的影响[18]。
本研究得出刺槐人工林林下物种α多样性、β多样性均表现出草本层＞灌木层。其他学者在相关研究中也得出森林群落植物多样性在空间上的变化顺序表现为草本层＞灌木层[19]，如果这一趋势一直持续，容易造成刺槐人工林“乔—灌—草”复层稳定的层片结构被打破，使得刺槐群落自我调节能力弱化[20]，出现土壤干化、“小老头树”等一系列生态问题。而且本研究得出，灌木层相似性＞草本层相似性，因此，当地林业管理人员应加强维护“乔—灌—草”层片结构的稳定性，调整“灌—草”结构，增强人工林生态恢复效益，提高群落稳定性。
物种多样性是一个反映一定区域内物种丰富程度和物种分布均匀度的综合指标，物种多样性的高低取决于群落中物种的个数及个体在群落中的分布状况[21]。由于人工林单一的物种组成使得多样性与天然林相比有巨大差异。本研究中，刺槐人工林林下α多样性指数与油松人工林之间的差异较小，两者都小于天然次生林，与其他学者研究结果一致[22]。同时，刺槐林与油松林之间的β多样性指数要小于刺槐林与天然林之间的β多样性指数。由此可知，刺槐林与天然林对比，林下植物种类组成存在较大差异；刺槐人工林与油松人工林林下物种组成差异较小。闫东锋等[23]得出群落多样性的高低能在一定程度上反映出群落稳定性的大小，因此，蔡家川流域刺槐人工林的稳定性仍小于天然次生林的稳定性，林业管理人员应加强刺槐人工林林下植被养护，提高其物种多样性。
在本研究中，刺槐人工林林下植被相似度处于“中等不相似”，草本层相似度处于“极不相似”水平。由于相似性水平越低，说明各样地群落间具有较大的生境差异性[24]，所以蔡家川流域刺槐人工林之间生境差异较大。生境不同，林下植被生长状况不同，所以改善刺槐人工林林下生境条件是提高人工林林下植被多样性的有效手段。有研究表明：刺槐根系的化感作用能够改善土壤微生物环境[25]。刘海燕等[26]研究得出相对于油松人工林，刺槐人工林下微生物群落多样性更丰富，刺槐的种植能够明显改善微生物群落结构，改善土壤质量，从而提高林下物种多样性。因此，引种刺槐在一定程度上可以改善区域的生态环境，提高流域内植被稳定性，起到防治水土流失的作用。
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图 1 毛竹、水稻和拟南芥ARF的系统进化树分析
Figure 1 Phylogenetic analyses of the ARF proteins in Phyllostachys edulis, Oryza sativa and Arabidopsis thaliana
图 2 毛竹ARF保守基序分析
Figure 2 Distribution of conserved motifs in Phylloastachys edulis ARF proteins identified using MEME search tool
图 3 毛竹PheARF基因在不同花器官中表达模式分析
Figure 3 Expression analysis of PheARF genes among different flower organs of Phyllostachys edulis
表 1 毛竹中ARF成员数量及其属性
Table 1. Properties and numbers of ARF identified from Phyllostachys edulis
ARF蛋白名称 毛竹ARF序列号 氨基酸长度 开放阅读框/bp 等电点 分子量/kD PheARFl PH0l0l3505G00l0 278 837 7.61 31.67 PheARF2 PH0l008675G00l0 260 780 6.70 28.56 PheARF3 PH0l0076l2G00l0 672 2 0l9 5.72 74.77 PheARF4 PH0l005322G00l0 792 2 379 6.09 87.49 PheARF5 PH0l00AEAlG0lA0 832 2 499 5.84 92.70 PheARF6 PH0l00A096G0200 92l 2 766 5.3l l02.29 PheARF7 PH0l002857G0060 708 2 l27 5.99 78.96 PheARF8 PH0l002850G0020 476 l 43l 9.23 54.32 PheARF9 PH0l002806G0200 840 2 523 6.97 93.0l PheARFl0 PH0l002685G0l20 605 l 8l8 6.29 65.89 PheARFll PH0l002498G0280 658 l 977 6.46 72.04 PheARF12 PH0l002l60G0l80 757 2 274 6.l6 84.64 PheARFlA PH0l00l899G0250 728 2 l87 5.68 80.88 PheARF14 PH0l00l690G0Al0 70l 2 l06 6.50 76.99 PheARFl5 PH0l00l555G0390 878 2 637 6.l6 97.8l PheARFlE PH0l00l285G0430 603 l 8l2 7.02 65.37 PheARFl7 PH0l00l2l2G0l90 364 l 095 7.25 39.9l PheARFl8 PH0l00l026G0A00 744 2 235 7.55 8l.07 PheARFl9 PH0l000667G0020 637 l 9l4 5.22 7l.47 PheARF20 PH0l000626G0040 693 2 082 5.34 77.55 PheARF2l PH0l00062AG0440 l l86 3 56l 8.87 l32.0l PheARF22 PH0l000548G0300 985 2 958 6.05 ll0.ll PheARF23 PH01000483G0220 866 2 60l 5.74 96.l5 PheARF24 PH0l000384G0l70 763 2 292 5.36 84.80 PheARF25 PH0l000305G0690 635 l 908 7.25 69.46 PheARF26 PH0l000277G0820 59l l 776 6.90 64.69 PheARF27 PH0l000259Gll20 904 2 7l5 6.60 l00.7l PheARF28 PH0l000227G0020 908 2 727 5.87 l00.72 PheARF29 PH0l000222G0l80 750 2 253 6.ll 83.00 PheARF30 PH0l000l83G0570 897 2 694 6.03 99.ll PheARF3l PH0l000l76G0540 l l2l 3 366 6.2l l24.73 PheARF32 PH0l000ll6G09l0 8l7 2 454 7.6l 90.ll PheARF33 PH0l000ll4G0050 l 257 3 774 6.23 l39.07 PheARF34 PH0l000093G0670 750 2 253 6.82 83.28 PheARF35 PH0l000087Gl340 738 2 2l7 5.85 82.09 PheARF36 PH0l000057Gl420 928 2 787 5.54 l02.92 PheARF37 PH0l000046G0220 734 2 205 6.70 80.5l PheARF38 PH0l000044G0540 439 l 320 5.87 47.45 PheARF39 PH0l0000l8G0940 667 2 004 6.96 74.36 PheARF40 PH0l0000l4G06l0 427 l 284 9.00 47.32 PheARF4l PH0l0000llG0660 554 l 665 5.66 6l.35 PheARF42 PH0l000002G3ll0 828 2 487 6.4l 92.55 PheARF43 PH0l000093G0690 l92 579 5.44 2l.02 PheARF44 PH0l000237G0420 5l4 l 545 8.52 56.44 
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