生命科學(xué)

Life science

2023年7月24日，西北農(nóng)林科技大學(xué)郭梁團(tuán)隊(duì)在Cell Press細(xì)胞出版社期刊Current Biology上發(fā)表題為“Climatic drivers and ecological implications of variation in the time interval between leaf-out and flowering”的研究成果，探究了氣候變暖對(duì)植物花葉物候及其間隔的影響規(guī)律。

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全球變暖背景下植物春季物候（如：展葉和開(kāi)花）提前已得到廣泛報(bào)道，然而，系統(tǒng)、全面探究植物花葉間隔的氣候變化響應(yīng)及其生態(tài)效應(yīng)的研究卻較為缺乏。花葉間隔表征著植物春季營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)開(kāi)始時(shí)間的相對(duì)變化，開(kāi)花與展葉的時(shí)間間隔變化對(duì)植物個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育、群落構(gòu)建、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性維持均具有重要意義。該研究團(tuán)隊(duì)利用長(zhǎng)期植物物候定點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（來(lái)源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心），對(duì)中國(guó)中東部地區(qū)183個(gè)物種近50年的展葉開(kāi)花配對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)：氣候變暖顯著提前了植物開(kāi)花與展葉物候，然而花葉間隔整體上保持穩(wěn)定，但縮短和延長(zhǎng)的花葉間隔亦有所發(fā)現(xiàn)。其中，先葉后花植物的花葉間隔呈現(xiàn)縮短趨勢(shì)，先花后葉植物的花葉間隔則逐漸延長(zhǎng)，其主要原因?yàn)榛ㄆ谖锖虻臏囟让舾行哉w高于展葉溫度敏感性。對(duì)于先葉植物，縮短的花葉間隔將加劇葉、花器官間光合產(chǎn)物的競(jìng)爭(zhēng)，而對(duì)于先花植物，延長(zhǎng)的花葉間隔則意味著植物花期所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)將更加依賴(lài)上一年的積累，兩者變化均對(duì)物種生長(zhǎng)發(fā)育具有不利影響，亟待深入探索。西北農(nóng)林科技大學(xué)郭梁和于強(qiáng)教授、湖南師范大學(xué)彭長(zhǎng)輝教授、中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所戴君虎研究員為論文通訊作者，博士生劉小偉為論文共同第一作者。該研究得到西北農(nóng)林科技大學(xué)、國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。

圖1   氣候驅(qū)動(dòng)因子（chilling & forcing）變化對(duì)植物展葉、開(kāi)花及花葉間隔影響的示意圖

植物物候變化直接影響著植物的適合度，也影響著生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)，植物物候?qū)夂蜃兓憩F(xiàn)出高度的敏感性。植物冷熱積累的滿足對(duì)春季物候啟動(dòng)至關(guān)重要。（圖1）前期，國(guó)內(nèi)外物候?qū)W者及該研究團(tuán)隊(duì)對(duì)氣候變暖下植物展葉和開(kāi)花物候的各自響應(yīng)進(jìn)行了大量探索（如：Guo et al., 2019, Agricultural and Forest Meteorology, 268: 299-307），但氣候變化對(duì)植物花葉間隔的影響卻罕見(jiàn)報(bào)道。

基于此，該研究團(tuán)隊(duì)利用中國(guó)183個(gè)物種1963-2014年的物候監(jiān)測(cè)記錄及日尺度氣候數(shù)據(jù)，探究了氣候變暖對(duì)植物花葉物候及其間隔的影響規(guī)律。結(jié)果表明，氣候變暖顯著提前了植物的春季展葉與開(kāi)花物候（圖2），植物花葉間隔整體上卻并未隨氣候變暖而發(fā)生顯著變化（圖3）。然而，變化的花葉間隔在部分物種中亦有所發(fā)現(xiàn)：其中，先葉后花植物的花葉間隔呈現(xiàn)縮短趨勢(shì)，先花后葉植物的花葉間隔則逐漸延長(zhǎng)，其主要原因?yàn)槭蓟ㄎ锖虻臏囟让舾行裕╰emperature sensitivity, ST）整體高于展葉溫度敏感性（圖3）。

圖2 氣候變暖對(duì)植物展葉和開(kāi)花物候的影響

圖3 氣候變暖對(duì)植物花葉間隔的影響（A），植物展葉和開(kāi)花溫度敏感性比較及其對(duì)花葉間隔變化的影響（B-C），其中B為先葉后花植物的分析結(jié)果，C為先花后葉植物分析結(jié)果

此外，該研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)植物花葉間隔變化的生態(tài)學(xué)及進(jìn)化學(xué)意義進(jìn)行了探索（圖4），提出未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)氣候變化與花葉間隔變化響應(yīng)的定量研究，并重視氣候變暖背景下早春光合產(chǎn)物在花葉器官間分配的變化規(guī)律及其對(duì)植物適合度影響的研究，這對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定維持具有重要意義。

圖4 氣候變暖背景下植物花葉間隔變化原因及其生態(tài)學(xué)意義

作者介紹

郭梁

研究員

西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持科學(xué)與工程學(xué)院（水土保持研究所）研究員，博士生導(dǎo)師，固原生態(tài)試驗(yàn)站副站長(zhǎng)、林草生態(tài)研究室副主任、寧夏云霧山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局局長(zhǎng)助理，入選西北農(nóng)林科技大學(xué)青年英才。主要研究方向?yàn)槿蜃兓飳W(xué)和林草生態(tài)學(xué)，結(jié)合野外控制實(shí)驗(yàn)、長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)、氣候梯度分析等手段，探究氣候變化對(duì)林草植被群落、土壤養(yǎng)分循環(huán)及微生物群落組成和功能的影響，以第一或通訊作者在Current Biology、Agricultural and Forest Meteorology (4篇)、Soil Biology and Biochemistry、Plant and Soil (2篇)、植物生態(tài)學(xué)報(bào)、應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)、草地學(xué)報(bào)等主流學(xué)術(shù)期刊發(fā)表研究論文40余篇。歡迎對(duì)我們課題組的研究方向感興趣的研究生發(fā)送簡(jiǎn)歷至 guoliang2014@nwafu.edu.cn。

劉小偉

博士研究生

西北農(nóng)林科技大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院2021級(jí)博士研究生，主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)學(xué)與全球變化生物學(xué)，以第一作者在Current Biology、Plant and Soil、Applied Soil Ecology期刊發(fā)表相關(guān)論文。