温度和水分胁迫下西南地区半附生和地生榕属植物更新过程耐受性的生理生态学研究

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种子到早期幼苗的建立过程是植物的整个生命周期中最关键的阶段之一,进一步影响着森林群落的物种多样性、丰富度和分布。再生阶段的种子萌发、出苗、幼苗建立需要克服生物和非生物胁迫造成的高死亡率,以便成功再生。温度和水分是决定植物更新成功与否的两个关键环境因素,全球气候变化导致我国热带亚热带地区气候干热化的趋势日益明显。因此,研究植物更新过程对水分和温度的变化响应可以更好地了解植物适应气候变化的能力和弹性。但关于哪些因素和植物特征与植物更新过程有关的研究大多集中在具有经济价值的园艺和农业物种或生态群落中的优势物种上。榕属植物是热带亚热带森林的关键物种,对生态系统的结构和功能有十分重要的作用。一些榕属植物以半附生和地生两种形式生长,半附生榕树的生命周期以附生形式开始,而后延长气生根到地面成为半附生植物。早期对半附生和地生榕树耐旱性的对比研究主要集中在叶片光合和水分生理方面,缺乏温度和水分胁迫对种子萌发、出苗以及幼苗建立影响机制研究,特别是对这两种生长型在胁迫环境下更新响应的对比性研究。本论文利用中国西南15个榕属物种(6种半附生和9种地生)作为实验材料,主要进行两个方面的研究:1)揭示半附生和地生榕属植物更新过程对温度和水分胁迫的响应的差异;2)分析种子性状与种子水分运动和榕属植物更新之间的相关关系。通过分析不同温度(15/5℃,25/15℃,35/25℃;日/夜温度变化),水分(0.00 MPa,-0.20 MPa,-0.35 MPa)和湿度(18.5%至99.5%的相对湿度)条件以及这三种控制因子和生长型的交互影响对种子发芽、出苗和存活的影响,结果表明:1)在高温条件下(35/25℃),半附生榕树种子具有较高的萌发和幼苗存活率,达到萌发峰值速度慢且萌发时间延长。2)基质中低水势(-0.35 MPa)下,地生榕树种子萌发率较高,而半附生榕属完成萌发时间较短且出苗率和幼苗存活率较高。3)在99.5%的相对湿度环境中半附生榕属种子更容易萌发。以上结果证明半附生榕树能够通过灵活地调控萌发高峰和萌发持续时间来适应干旱和高温的环境条件,这一策略使得它们在林冠层干燥和高温的环境中成功更新。通过测量8种榕树种子的性状(重量、水分含量、长度、宽度、种皮厚度、吸水孔厚度以及初始吸收期其长度和宽度变化),分析这些种子性状与种子水分运动速率和更新成功率的相关性。结果表明:1)种子水分运动速率随着时间的推移而变慢,具有较厚吸水孔的半附生榕树种子水分运动速率较快,地生榕树种子水分运动速率随着吸水孔宽度的变化加快。2)在高湿度条件下(99.5%),半附生榕树种子萌发率较高,其种皮较厚以及种子吸水状态下吸水孔长度增加与萌发成负相关,低湿度条件下(18.5%),预测半附生榕树种子的萌发率也较高。3)地生榕树种子的萌发率与种皮厚度成负相关,与种子长度成正相关,但与吸水孔尺寸的变化无相关性。在出苗率方面,半附生榕属种子在高的相对湿度环境(99.5%)中出苗率较高,并且随着吸水孔长度增长而增加。以上结果证实了复杂的吸水孔结构是调节水分进入榕树种子和影响萌发的重要机械功能结构,并且在半附生和地生榕树物种之间存在显著差异。当水分来源有限时,半附生种通过克服种子结构障碍(如吸水孔长度和种皮厚度)来调控水分的吸收从而影响其更新反应。综上所述,本论文揭示了半附生榕和地生榕的种子萌发和幼苗生长对温度和水分胁迫响应的差异,而且发现这种差异与种子的结构特征紧密相关。研究结果有助于增加榕属植物更新过程对气候变化的响应的了解,对探讨榕属植物的进化以及气候变化背景下热带亚热带森林的动态变化提供了重要的科学依据。
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