性别互作下青杨雌雄对气候变化的响应研究

Global climate change is a common hot topic focused by all the countries across the world. Dioecious plant is an important part of terrestrial ecosystem and has very important significance in agricultural & forestry production and ecological security. At present, few studies care about the effect of climate change on dioecious plant, and rarely consider gender interactions and neighboring effect. In order to further reveal the rule of dioecious plant in response to future climate change, we explore the ecophysiological responses and interaction mechanism of females and males of Populus cathayana, which is an important dioecious model plant and the main afforestation tree species, to single or combined elevated CO2 and temperature under different gender interactions. The competition strategies of females and males for resources are illuminated by ecological stoichiometry and isotope tracer technique. The chemical regulation effects of plant volatile organic compounds and root exudate on gender interactions as well as their responses to climate change are clarified by chemical ecology methodology. The research aims to enrich the existing studies about the adaptability of dioecious plant to environment; to more accurately predict the population distribution and evolution trend under future climate change; to promote the construction of plantation by gender configuration and regulation; and to increase forest carbon sink capability to cope with increasingly serious climate change.

全球气候变化是世界各国共同关注的热点问题。雌雄异株植物是陆地生态系统的重要组成部分,对农林业生产和生态安全具有非常重要的意义。目前,气候变化对雌雄异株植物影响的研究不足,且多未考虑性别互作及邻体效应。因此，为了深入揭示雌雄异株植物对未来气候变化的响应规律，我们以雌雄异株木本模式植物和主要造林树种青杨(Populus cathayana )雌雄植株为材料，采用人工模拟气候的方法,研究不同性别互作下雌雄青杨对CO2浓度、温度单一因子升高以及联合升高的生理生态响应及互作机制。利用生态化学计量学和同位素示踪技术来解析雌雄竞争策略；利用化学生态学方法，阐明植物挥发性有机物和根系分泌物在性别互作中的化学调控作用以及对气候变化的响应。研究旨在丰富雌雄异株植物环境适应性研究；更准确地预测未来气候变化下种群分布和演变趋势；也有助于通过性别配置和调控，促进人工林营建，进而增加森林碳汇以应对日益严竣的气候变化。

大气CO2浓度增加和温度的升高已成为气候变化过程中的热点问题。雌雄异株植物在陆地生态系统有着重要的进化和生态价值。气候变化将对雌雄异株植物生长、种群结构和空间分布产生强烈的影响。杨树是世界各国普遍种植的雌雄异株木本植物，是林木上生理生化、基因工程研究的模式植物，也是我国重要的人工用材林和生态防护树种。因此，项目组以青杨雌雄植株为材料，在王朗自然保护区的生态监测站的人工气候室内，完成了温度升高、CO2浓度升高和两者同步升高下青杨雌雄的性别互作实验。通过自动控制系统监测和调节温度和CO2浓度，研究了不同性别互作模式下的雌雄青杨对气候变化的生理生态响应与竞争关系。. 研究发现，不同气候因子显著影响和调控了雌雄植株竞争关系。而不同的性别互作模式也影响了青杨雌雄个体对气候变化的生理生态响应过程、竞争优势和适应能力。单独增温条件下，性间竞争的雌株显示出最高的适合度，表现在生物量积累、光合能力、水分和养分利用效率、碳水化合物合成与代谢等方面。增温强化了性间竞争中雌株对雄株的竞争压力。增温下，为了缓解雌雄性间竞争时对雄株的竞争压力，雌雄混植时应合理安排种植密度。单独增温环境下，雌雌纯植比雄株能够获得更多的生物量积累、更高的生产力和碳汇。此外，单独CO2浓度水平升高处理显著影响了雌雄植株的性别内和性别间竞争强度。青杨雌雄植株对CO2浓度升高采用了不同的竞争适应策略。性内竞争中雄株表现出更快的资源获取和利用能力、更多的根碳水化合物积累和更好的内在的碳平衡机制，更能适应长期的CO2浓度升高环境。单独CO2升高的气候情景下，性内性内竞争雌株的竞争压力最大，对单独CO2浓度升高环境的适应能力最低。增温和CO2升高交互处理下，性间竞争中的雌株和性内竞争的雄株表现出更高的生物量积累，且雄株的促进效应更显著。雄雄种植模式将更适应同步升高气候情景，呈现更高的生产力和碳汇能力。另一方面为了保持合适的性比和总生产力，雌雄混植模式也优于雌雌纯植模式。总之，在未来气候变化下，性别种植模式将影响到雌雄植株的生理生态响应。并且气候因子也将改变雌雄植株间的竞争强度。我们的研究首次明确了未来气候变化和性别互作下雌雄青杨个体的响应与竞争力，从而为更准确地预测气候变化下雌雄异株植物的生长和种群变化提供了依据；也为农林业生产上雌雄异株人工林的性别配置和生态调控措施提供了依据。