壳斗科栎属种子对干旱和低温的适应机制及其对植物地理分布格局的影响

Seed physiological traits are the base of the plants’ ecological adaptations in the early life stage, which are associated with the ecological niche and range of plant species. The genus Quercus is the largest and most widely distributed genus within the Fagaceae family, but produces recalcitrant seeds which do not tolerate desiccation and cold. In China, Quercus species are the major structural components of the forests, but usually disperse seeds in the beginning of the distinct dry and cold season. Effective adaptations to drought and code make the survival of Quercus seeds in seasonal environments possible, and consequently affect the population dynamics and the distribution patterns of Quercus species. In this project, we will investigate seed physiological traits of varieties of Quercus species from different habitats, and look for the adaptations of Quercus seeds to drought and cold. From these data we can model how variation in seed physiological traits and ecological adaptations influence the distribution patterns of Quercus species, and how climate change led or will lead to the evolution of the distribution patterns of Quercus. This project is significant because it adds to the understanding of the linkages between seed adaptations and distribution patterns of plants. Understanding these linkages is critical important to maintain Chinese forest ecosystems which is one of the world’s biodiversity hotspots and currently under severe threat in the context of global climate change.

种子的生理属性决定了植物生命初期的生态适应机制，对植物及其分布区域的演化有着深远的影响。栎属植物是我国森林系统中最为重要的组成成分之一，却生产不能耐受干燥并对低温敏感的顽拗性种子。受季风气候影响，栎属植物种子在散播后通常面临长久的干旱和低温。有效的生态适应机制是栎属种子在逆境中能够存活的根本，因此决定了栎属种群的更新效率，并可能影响栎属的地理分布格局。本项目拟对不同类群、不同生境的，栎属种子的生理属性进行研究，分析栎属的顽拗性种子对干旱和低温环境的适应机制，探讨栎属种子的生态适应机制对栎属植物分布区域的形成和演变产生的影响；并讨论在全球气候变化的背景下栎属植物的地理分布格局将可能产生的变化。这项研究对理解种子生理属性和植物地理分布格局形成和演化的关系；对在全球气候变化的背景下，探索如何有效维持我国的生物多样性，都有着重要的科学意义。

顽拗性种子适应散播后干旱和低温并萌发的能力是生产顽拗性种子的植物能够繁衍的基础。然而，顽拗性种子对干旱和低温的生态适应机制及其与植物分布格局的关系一直有待探索。栎属植物广泛分布于北半球，其不同类群的分布格局有着显著的差异。青冈亚属和栎亚属植物分别是亚热带常绿阔叶林和温带落叶阔叶林的主要建群种和优势种。高山栎组植物则组成了喜马拉雅和横断山脉的特殊植被类型，硬叶常绿阔叶林。本项目通过对青冈类、温带栎类和高山栎类种子生理属性全面而系统的研究揭示了中国栎属不同类群种子对干旱和低温环境的生态适应机制及其与植物分布格局的关系。研究发现，栎属不同类群种子对干旱和低温的适应机制有着显著的差异。这些差异是栎属植物适应不同气候环境的结果。高山栎类的种子在散播后受到干旱和低温的强烈选择，但对干燥最为敏感，在干燥中死得最快。这些种子通过快速萌发避免散播后的干燥和冻害。青冈类和温带栎类则有着更多样的适应策略。青冈类STB支系的种子通过减缓种子的干燥和萌发速率，降低种子在干旱环境中的死亡概率，“选择”在雨季萌发；CTB支系的种子干燥得快，通过快速萌发避免干旱。温带栎类的种子更耐脱水，种子通常较高山栎类萌发得慢。但分布在严寒地区的物种，却能在散播后迅速萌发避免干燥和冻害。栎属种子对干旱和低温的生态适应机制是多样化并且连续性的，这些机制受到不同气候环境的影响和选择。种子的脱水耐受性被认为是顽拗性种子应对干旱最重要的特性。然而本项目却发现栎属种子的脱水耐受性与气候参数没有相关性。栎属不同类群种子差异化的生理属性在植物适应不同气候环境的过程中可能起到了重要的作用，并可能影响了不同类群植物分布格局的形成和演化。高山栎类种子适应高山干冷环境的属性可能促进了该类群成为喜马拉雅-横断山脉地区的优势物种，而气候环境又进一步强化了种子的属性。青冈类和温带栎类种子更为多样的生态适应机制可能是种子对更加复杂多变的气候环境的适应。