基于植物功能性状和遗传变异的芦苇CSR生态策略研究

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植物能够通过改变各种功能性状和资源分配模式,产生多种应对不同胁迫或干扰环境的生态策略。植物生态策略研究对于解答植被演替、生物多样性保护、生态系统功能维持及全球环境变化响应等生态学前沿热点问题具有重要意义,但现有研究多聚焦于植物种间水平的宏观分析,对植物生态策略的遗传与环境驱动机制的了解相对较少,特别是缺乏对种内遗传谱系分化作用的研究,限制了生态策略的机理探究与应用推广。本研究通过将野外调查和多年同质种植园实验相结合,以国内及国外典型芦苇(Phragmites australis)谱系为研究材料,测定芦苇的株高、叶长、光合速率等植物功能性状,利用2个叶绿体DNA片段和1 1个细胞核微卫星标记(SSR)分析芦苇的遗传变异,研究不同种源地芦苇间的功能性状和CSR生态策略(C,竞争策略;S,耐受策略;R,杂草策略)差异,探究芦苇功能性状和生态策略与种源地气候环境因子之间的关联,揭示芦苇遗传谱系发育历史对其功能性状、生态策略以及气候生态位的影响。本研究的主要结果和结论如下:(1)不同种源地芦苇的株高、叶厚等功能性状在野外环境中存在显著性差异,但在同质种植园环境中不同种源地芦苇功能性状的差异性发生了改变,表明芦苇的功能性状受到环境的直接影响;而芦苇的基径、叶长等性状的差异在两种环境中保持一致,表明遗传因素在芦苇这些性状的种内变异中起着重要作用。宁夏平原芦苇与黄河三角洲芦苇相比,其S得分显著较高,而C得分显著较低,可能是由于宁夏相对干旱的环境使芦苇选择了较为耐受、较少竞争的生态策略。植物同一器官内、不同器官间的功能性状之间具有显著的相关性,这种植物性状间的协同或权衡关系是植物整体生态策略实现的基础。(2)年均温、年降水和降水季节性等气候环境因子与芦苇功能性状和生态策略的相关性分析表明,年均温和年降水显著影响芦苇的基径、叶长、株数等功能性状和生态策略得分,气候适应性是芦苇CSR生态策略演化的重要驱动机制。环境水热条件越充足,芦苇的株高等与竞争策略有关的功能性状值越高,而株数、比叶面积等与植物杂草策略和胁迫耐受策略相关的功能性状值越低,年均温和年降水是影响植物功能性状和生态策略的重要气候环境因子。(3)遗传分子标记分析表明,收集到的中国芦苇主要来源于两个谱系,一个谱系以单倍型P为主,另一个谱系以单倍型O为主。对同质种植园中的芦苇进行谱系保守性分析,发现芦苇的株高、叶长等功能性状受到遗传谱系发育历史的限制较小,主要受到环境选择的影响,不同谱系的芦苇可能会因为其来源地生境相似而产生相同的生态策略类型。通过芦苇气候生态位的谱系保守性分析,发现同一谱系的芦苇倾向于生存在相似的气候条件下,具有相似的气候生态位。(4)通过基于叶性状的CSR生态策略分析方法得到芦苇的生态策略类型多样,主要集中在S-C区域,同时,随着叶厚/叶面积、株高、密度的增加,与这些性状紧密相关的S得分、C得分、R得分也显著增大,说明了基于叶性状的StrateFy分析可以较好地预测整株植物生态策略的改变,证明了该方法在探究植物种内生态策略差异研究中的适用性,可以应用于更多广布种的种内生态策略演化探究之中。本研究通过分析不同来源芦苇的遗传变异、功能性状和生态策略差异,揭示了芦苇功能性状间的协同与权衡关系,系统阐明了遗传和环境因素对芦苇生态策略形成的重要作用,也验证了基于叶性状的CSR生态策略分析在芦苇种内生态策略中的适用性,为湿地生态系统中芦苇种质资源的评价与筛选、湿地的保护与修复、生态环境工程植物配置等工程实践提供重要的技术支撑,也对预测全球气候变化下的植物分布格局与生态系统响应具有重要的参考价值。
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