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喜马拉雅-横断山冰缘带“绒毛植物”——绵参表皮毛的生态适应机制研究

批准号:
32071669
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
宋波
学科分类:
生态学理论与方法
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
宋波

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
喜马拉雅-横断山冰缘带拥有全球最丰富的特化植物种类,研究它们的适应机制是理解冰缘带植物多样性形成与维持的基础,但是,我们对这些植物的适应机制仍缺乏系统的理解。本项目选择高山“绒毛植物”的代表——绵参作为研究材料,以适合度为切入点,从生态学理论入手,结合多学科手段,点(几个种群的控制实验)- 面(区域尺度的种群比较)相结合,探讨特化性状——表皮毛的生态适应机制,揭示该类植物在冰缘带环境下的生存策略。重点回答的问题是:1)绵参表皮毛有什么生态功能,即受到哪些环境因素的选择?2)初步调查发现绵参表皮毛(如密度、长度和化合物)在种群间存在明显差异,那么表皮毛在区域尺度上是如何变化的?局域适应机制是什么?即:驱动表皮毛地理变异的关键因素是什么?本项目的研究结果能揭示高山冰缘带环境下“绒毛植物”的进化适应机制,丰富我们对表皮毛生态适应的理解,并为全球变化背景下预测物种性状变化与物种保护提供基础数据。
英文摘要
The alpine screes of the Himalaya-Hengduan Mountains harbor the richest specialized plant species in the world; studying the adaptive mechanisms of these plants to habitats of alpine screes are the basis for understanding how plant diversity forms and maintains in the harsh environments, however, the adaptive mechanisms of these plants remain largely unknown. We select Eriophyton wallichii, which has been considered as the representative of ‘woolly plants’, as the research material, to explore the adaptive significances of trichomes and uncover the evolutionarily adaptive mechanisms of these plants to alpine screes, taking the fitness as the key point and using ecological theories and multidisciplinary methods. The following specific questions are addressed: 1) What are the ecological significances of trichomes in E. wallichii ? 2) In our previous investigations the pubescence varied greatly between populations, including density, length, and chemical compounds, is there a gradient in trichomes along geographical distribution? What are the local-scaled adaptive mechanisms? i.e., what are the key factors driving the geographical variation in trichomes? Our results will help us to uncover the evolutionarily adaptive mechanism of ‘woolly plants’ to alpine screes, enrich our knowledge on evolutionary adaptions of trichomes, also provide basic data for predicting trait change and conserving species under the context of global change.
以喜马拉雅-横断山冰缘带特有的“绒毛植物”——绵参为研究材料,探讨了表皮毛的生态功能与进化适应机制,主要结果如下:.1. 绵参表皮毛的生态功能:表皮毛能显著增加叶片的温度(最高升温达10℃),明显减少到达叶片表面的UV-B辐射;光合实验表明,在低温和强UV-B辐射胁迫时,表皮毛具有促进光合作用的功能。野外条件下,去除表皮毛的叶片被植食者取食的频率明显高于对照叶片。因此,绵参表皮毛具有增温、阻挡紫外辐射以及抵御植食昆虫取食的功能,从而帮助其在高山冰缘带极端环境下的生长与存活;.2. 绵参表皮毛的地理格局与影响因素及其对其它功能性状的影响:随着海拔的增加,绵参表皮毛密度呈显著增加的趋势。高海拔的低温是驱动表皮毛更密集的主要因素,而植食压力次之。随着表皮毛密度的增加,叶片总酚含量显著降低,但是对叶绿素含量没有显著的影响。因此,高海拔的低温是驱动绒毛植物表型进化的主要因素。.3. 从基因组水平揭示绵参适应高山冰缘带环境的进化机制:绵参的基因组为3.8Gb;糖苷基转移酶、苯丙类生物合成、细胞壁修饰和不饱和脂肪酸相关基因的生物合成可能参与了绵参适应高山冰缘带环境的过程;全基因组关联分析确定与叶片表皮毛相关的遗传变异。编码环指结构域蛋白(ZFP)的基因可能负责表皮毛的发育,并在拟南芥中得到验证。.4. 表皮毛在区系水平上的分布格局:在整个横断山地区,约13%的被子植物具有腺毛。腺毛的发生受植物生长型、器官类型、叶片习性以及地理成分的影响,但是受系统发育关系的影响较小。因此,腺毛的发生具有高度的进化适应性。.5. 表皮毛在海拔梯度上的分布格局:随着海拔的升高,腺毛植物的比例显著上升。高海拔地区更低的年均温是导致腺毛植物比例随海拔升高而增加的主要驱动因子。研究结果并不支持植物防御随海拔升高而降低的假设。.6. 作为项目的拓展,我们从植物适合度的角度,探讨了植物苞片与花寿命的进化适应机制以及植物的传粉者依赖性在海拔梯度上的变化格局。
喜马拉雅-横断山冰缘带“温室植物”——塔黄与传粉蕈蚊互惠关系的地理变异及其进化机制
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