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生命科學

Life science

2023年7月24日，西北農(nóng)林科技大學郭梁團隊在Cell Press細胞出版社期刊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：展葉和開花）提前已得到廣泛報道，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養(yǎng)生長和生殖生長開始時間的相對變化，開花與展葉的時間間隔變化對植物個體生長發(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。該研究團隊利用長期植物物候定點監(jiān)測數(shù)據(jù)（來源于國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心），對中國中東部地區(qū)183個物種近50年的展葉開花配對數(shù)據(jù)進行分析。研究發(fā)現(xiàn)：氣候變暖顯著提前了植物開花與展葉物候，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，先花后葉植物的花葉間隔則逐漸延長，其主要原因為花期物候的溫度敏感性整體高于展葉溫度敏感性。對于先葉植物，縮短的花葉間隔將加劇葉、花器官間光合產(chǎn)物的競爭，而對于先花植物，延長的花葉間隔則意味著植物花期所需的營養(yǎng)物質(zhì)將更加依賴上一年的積累，兩者變化均對物種生長發(fā)育具有不利影響，亟待深入探索。西北農(nóng)林科技大學郭梁和于強教授、湖南師范大學彭長輝教授、中國科學院地理科學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、國家自然科學基金和國家重點研發(fā)計劃的支持。

圖1   氣候驅(qū)動因子（chilling & forcing）變化對植物展葉、開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，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春季物候啟動至關(guān)重要。（圖1）前期，國內(nèi)外物候?qū)W者及該研究團隊對氣候變暖下植物展葉和開花物候的各自響應(yīng)進行了大量探索（如：Guo et al., 2019, Agricultural and Forest Meteorology, 268: 299-307），但氣候變化對植物花葉間隔的影響卻罕見報道。

基于此，該研究團隊利用中國183個物種1963-2014年的物候監(jiān)測記錄及日尺度氣候數(shù)據(jù)，探究了氣候變暖對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，先花后葉植物的花葉間隔則逐漸延長，其主要原因為始花物候的溫度敏感性（temperature sensitivity, ST）整體高于展葉溫度敏感性（圖3）。

圖2 氣候變暖對植物展葉和開花物候的影響

圖3 氣候變暖對植物花葉間隔的影響（A），植物展葉和開花溫度敏感性比較及其對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，該研究團隊還對植物花葉間隔變化的生態(tài)學及進化學意義進行了探索（圖4），提出未來應(yīng)加強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)律及其對植物適合度影響的研究，這對植物生長發(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)學意義

作者介紹

郭梁

研究員

西北農(nóng)林科技大學水土保持科學與工程學院（水土保持研究所）研究員，博士生導(dǎo)師，固原生態(tài)試驗站副站長、林草生態(tài)研究室副主任、寧夏云霧山國家級自然保護區(qū)管理局局長助理，入選西北農(nóng)林科技大學青年英才。主要研究方向為全球變化生物學和林草生態(tài)學，結(jié)合野外控制實驗、長期定位監(jiān)測、氣候梯度分析等手段，探究氣候變化對林草植被群落、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)學報、應(yīng)用生態(tài)學報、草地學報等主流學術(shù)期刊發(fā)表研究論文40余篇。歡迎對我們課題組的研究方向感興趣的研究生發(fā)送簡歷至 guoliang2014@nwafu.edu.cn。

劉小偉

博士研究生

西北農(nóng)林科技大學草業(yè)與草原學院2021級博士研究生，主要研究方向為生態(tài)學與全球變化生物學，以第一作者在Current Biology、Plant and Soil、Applied Soil Ecology期刊發(fā)表相關(guān)論文。