細胞倍性差異對不同樺木種沿海拔梯度生態(tài)位分化的影響研究取得新進展
多倍化對環(huán)境適應(yīng)性的改變與其對植物形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能特征的明顯改變密切相關(guān)。植物發(fā)生多倍化后其木質(zhì)部導(dǎo)水組織的解剖結(jié)構(gòu)特征常發(fā)生顯著變化,如木質(zhì)化程度和細胞壁厚度都有所增加,這些改變很可能會造成木質(zhì)部水分傳導(dǎo)的有效性和安全性等水力結(jié)構(gòu)特征的改變。目前有關(guān)多倍體植物與水力結(jié)構(gòu)的研究仍十分缺乏,與多倍化相關(guān)的水力結(jié)構(gòu)特征的改變對其它功能特征的影響也亟待深入研究。
相比其親緣較近的二倍體,自然界中多倍體植物通常在干旱、高緯度和高海拔生境中占優(yōu)勢。在長白山地區(qū),白樺和楓樺為二倍體物種,生長迅速,為長白山闊葉紅松林常見的伴生樹種,其中白樺為低海拔生境火燒、皆伐等干擾過后形成的次生林中的優(yōu)勢樹種。黑樺和岳樺為多倍體物種,其中黑樺較耐干旱,生長在干旱和土層較厚的陽坡、山麓較干燥處或雜木林內(nèi),在長白山為闊葉紅松林中的伴生樹種。岳樺在高海拔處才占據(jù)絕對優(yōu)勢。四種樺木分布生境的差異可能與染色體組倍增后植物抗逆性的增強有關(guān),特別是與水分傳導(dǎo)率和抗氣穴化能力的改變密切相關(guān)。
為闡明不同倍性物種生態(tài)位分化的生理學(xué)機制,中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所植物生理生態(tài)學(xué)科組側(cè)重從木質(zhì)部水力結(jié)構(gòu)的角度揭示長白山分布的不同倍性樺木種在各自生境中保持水分平衡和競爭優(yōu)勢的生理機制。結(jié)果發(fā)現(xiàn),與二倍體樺木種(白樺和楓樺)相比,分布在較干旱和高海拔生境中的多倍體樺木種(岳樺和黑樺)具有更高的葉比導(dǎo)率和更強的抵抗氣穴化的能力(圖1,2)。并且,兩者在解剖結(jié)構(gòu)上也存在顯著差異:與二倍體樺木種相比,多倍體樺木種具有更大的導(dǎo)管水力直徑(圖3);但是其紋孔形狀、寬度和開口面積較小(圖4)。這些結(jié)果表明細胞倍性變化后植物的抗逆性通常會增強,但同時伴隨著生長速率的下降,證明細胞倍性的變化使得不同物種間抗逆性和競爭力間可能存在一個權(quán)衡關(guān)系。該研究結(jié)果揭示了細胞倍性變化對水力結(jié)構(gòu)功能特征的影響機制,為加深對多倍化這一重要生物學(xué)過程的認(rèn)識與更好地利用多倍體植物提供基礎(chǔ)理論支持。
研究結(jié)果以“Divergences in hydraulic architecture form an important basis for niche differentiation between diploid and polyploid Betula species in NE China”為題發(fā)表在Tree Physiology (doi:10.1093/treephys/tpx004)。該研究得到國家自然科學(xué)基金項目(31500222、31670412)、科技部重點研發(fā)項目(2016YFA0600803)、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究項目(QYZDJ-SSW-DQC027)以及中國科學(xué)院百人計劃項目的支持。
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