植物纬度—海拔梯度分布的低温限制机理及其对全球变暖的响应

A central issue in ecology and phytogeography is to understand the geographic pattern and dynamic of species distribution under climate change. Although low temperature is well known to be the key factor controlling plant latitudinal-altitudinal distribution patterns, the underlying physioecological mechanism is still not clear. As a result, it can’t be correctly explained why some species migrate positively responding to climate warming, but others have no response or even shift backward. Invasive plant is an ideal material for the corresponding studies, because of its unique features in term of both ecology and evolutionary biology and higher sensitivity to climatic change. We selected an invasive herb species Erigeron annuus widely distributing in China, and its relative native Erigeron acer as plant materials. Firstly, we investigated the difference in main physioecological features including carbon balance and cold resistance between species and among populations of different origins, through chamber cultivation, cold treatment, and extreme weather event simulation so on. Moreover, we evaluated the formation mechanisms of current geographical distribution pattern and predicted the potential migration paths via phylogenetic methods. Our objectives were to reveal the inherent mechanisms of plant latitudinal-altitudinal distribution limited by low temperature, and to further clarify the role of phenotypic plasticity and genetic differentiation in distribution dynamics. Our study would contribute to understanding and predicting the response of terrestrial vegetation distribution pattern to global warming, as well as providing practical guidance for controlling biological invasion and restoring vegetation at high latitude and altitude in China.

全球变暖背景下的植物地理分布格局及动态变化，是当前生态学和植物地理学研究关注的热点问题之一。低温被普遍认为是影响植物纬度和海拔分布格局及界限的最重要生态因子，但其生理生态机理并不清楚，因而目前无法准确解释气候变暖下植物分布迁移、停滞或后退现象。鉴于入侵植物独特的生态学、进化生物学特征及其对全球变化的高度敏感性，本项目以在我国纬度和海拔广泛分布的入侵植物一年蓬及其近缘本土种飞蓬为研究对象，利用室内栽培、低温处理和极端寒冷事件模拟等方法，研究不同地理分布及限界上植物碳平衡和耐寒性等生理生态差异；利用系统发育学手段，分析当前地理格局形成原因，并推测其可能的迁移路径。揭示植物在纬度和海拔上分布受温度限制的内在机理；进而阐明表型可塑性及遗传分异在其地理分布动态中的作用。本研究不仅有助于理解和预测陆地植被分布格局对全球变暖的响应，也为我国生物入侵的防治和高寒地段的植被恢复提供理。

气候变化背景下，植物的地理分布格局以及动态一直是生态学关注的热点问题之一。尽管当前研究普遍认为低温胁迫是限制植物纬度及海拔分布界限的最重要生态因子，但其受限的生理生态机理并不清楚，因而无法准确解释气候变暖下植物分布的扩张或缩小现象。揭示植物对低温适应的生理生态机理和进化特征，是理解植被分布格局对气候变化响应以及预测种群迁移的首要问题。本研究以在我国不同纬度和海拔的广布种入侵植物一年蓬（Erigeron annuus）及近缘归化种小蓬草（Conyza canadensis）为研究材料，取代森林乔木等常用物种，以克服传统生态学和进化生物学所涉及的时间和空间尺度问题。利用生长室培养、低温处理和极端寒冷事件模拟等方法，分析不同纬度及海拔植物材料的耐冻性渐变特征，探讨耐冻性在进化背景不同的植物地理分布及扩展中的作用机理。我们发现，一年蓬与小蓬草的过冷却点与结冰点随纬度及海拔梯度升高而降低，且一年蓬低于小蓬草。低温驯化后，一年蓬的低温敏感性及细胞膜系统耐寒性强于小蓬草，光合系统抗寒性弱于小蓬草。多元回归模型分析发现，1月最低温度是两种植物过冷却点与结冰点变化的解释因子，而年均温是植物光合系统耐寒性的限制因子。说明入侵植物对低温具有较强的敏感性，快速适应低温胁迫，但是在气候变暖的背景下，特别是冬季温度升高，入侵植物将继续向北方高寒区域迁移。本研究结果，不仅有助于理解和预测陆地植被分布格局对全球变暖的响应，也为我国生物入侵的防治和高寒地段的植被恢复提供理。