典型落叶栎林植物功能性状的生态驱动与适应性分子进化机制

Co-determined by genetic factors and habitat conditions, plant functional traits can correlate studies of different scales and have become a hotspot of research in botany and ecology. Taking deciduous oak forests characterized by geographically vicarious distribution, which are the typical zonal vegetation in the warm temperate zone, as the research object, we will conduct field vegetation survey, ecological factor analysis and reciprocal plant experiment under controlled conditions. Through these experiments, we can explore the adaptive responses of plant functional traits to different ecological factors, build coupling models of functional traits and ecological factors among different oak species, thus to reveal mechanisms driving the evolvement of plant functional traits of typical deciduous oak species. We shall also determine whether genetic variation or phenotypic plasticity contributes to these phenotypic variations by means of common garden experiment with dominant oak species, functional trait comparison and molecular testing cDNA-AFLP based on PCR. In this way, we can reveal the adaptive mechanisms of molecular evolution of typical deciduous oak species. The prospective results of this proposal can provide important theoretical foundations for exploring the mechanisms of genetic evolution of ecological adaptability and the ecological driving of forest ecosystems as well as the protection and evaluation of plant resources.

植物功能性状是由遗传因素和生境条件共同决定的，可以将不同尺度上的研究联系起来，成为近年来植物学和生态学研究的热点之一。本研究选择具有地理替代分布特征的暖温带地带性植被落叶栎林作为研究对象，从易于测量的性状（植物功能性状）入手，通过野外群落调查、生境生态因子分析，结合模拟控制条件下的交互移植实验，确定植物功能性状对生态因子的适应性反应，建立不同栎属植物的功能性状-生态因子耦合模型，揭示典型落叶栎林植物功能性状的生态驱动机制；通过典型落叶栎林中的优势种和建群种的同质种植园实验、植物功能性状的比较、AFLP分子遗传检测，确定遗传变异性与适应性之间的关联，检验这些表型变异是遗传分化的结果还是表型可塑性的贡献，揭示典型落叶栎林植物功能性状的适应性分子进化机制。该研究结果可为探索生态适应性的遗传进化机制、森林生态系统的生态驱动以及植物资源保护评价提供重要基础理论依据。

植物功能性状由遗传因素和生境条件共同决定，是近年来植物学和生态学研究的热点。本课题以具有地理替代分布特征的落叶栎林为研究对象，通过野外群落调查、生境生态因子分析，结合模拟控制实验及分子遗传检测，从分子、个体、群落水平，开展了栎林植物功能性状的生态驱动与适应性分子进化机制研究。. 华北落叶栎林群落格局、物种及α、β性状多样性分析发现，落叶栎林群落优势种主要包括麻栎、栓皮栎、槲树、槲栎、短柄枹栎、锐齿槲栎、蒙古栎、辽东栎等，常见落叶伴生物种主要有刺槐、五角枫、荆条等；影响典型落叶栎林地理替代性分布的主要为温度、水分、土壤理化性质等生态因子。. 落叶栎林优势种主要生态因子模拟控制实验表明，不同植物的功能性状受到水分、光照、氮沉降等多个生态因子的驱动，不同物种产生响应的性状和适应的程度存在差异，植物功能性状与生态因子具有耦合变化规律。麻栎和荆条在应对土壤干旱中表现为水稳态响应，刺槐表现为非水稳态响应。适量氮沉降对栎属幼苗的生长具有促进作用，过量氮沉降则会产生抑制作用，栓皮栎比蒙古栎对氮沉降的敏感性更强。植物通过调整叶片水势、光合速率、叶绿素荧光、非结构碳水化合物、叶绿素含量、抗氧化酶含量、脯氨酸含量、氮磷含量生物量分配等表型可塑性策略对不同环境因子进行适应性反应。. 同域分布的栎属植物及伴生种的同质种植园实验及分子遗传检测表明，遗传分化在麻栎、刺槐、荆条植物功能性状中具有决定作用；槲树和辽东栎群体中存在较高的遗传多样性及有限的基因渐渗，SSR引物在属内具有良好的通用性，微形态和遗传标记能够有效区分槲树和蒙古栎；DNA甲基化变异和生境分化之间没有检测到相关性，而Mantel分析表明DNA甲基化相比序列变异与植物功能性状有着更紧密的联系。生态因子驱动植物功能性状产生表型适应，而遗传进化和表观遗传变异为植物功能性状的生态适应提供了内在驱动。研究结果为探索生态适应性的遗传进化机制提供了重要的基础，并为生态重建、植被恢复、植物资源保护评价提供科学依据。本项目资助发表SCI论文20篇、中文核心期刊论文2篇。