植物在持续污染条件下生态性能的跨代变化及其遗传流失动态

Understanding of ecological performance and genetic variation across different generations of plants under chronic low level pollutions is key to recognize the impacts of global pollution on plant adaptation capacity, survival potential and evolutionary fate when globalized pollutions have formed new environments that all organisms have to face up. This program will focus on the research of resource acquisition and allocation, and its underlying ecological performance of among-generation in plants Vicia faba and Datura stramonium exposed to chronic toxic metal pollution through investigation of absorption and ultilization of water, nutriental elements and photosynthesis ability, and the genetic erosion is to be assessed by molecular genetic markers among the generations of experimental populations of plants experienced with chronic toxic heavy metal stress. By comprison of the response norms between ecological performance and genetic erosion of across mutiple generation, it is supposed to figure out the ecological process “change of resource allocation → resource decrease in reproduction → quality and quantity of seed production → loss of genetic contribution of lost individuals →genetic erosion in next generations”, and some contribution to further investigation of the adaptation potential and evolutionary fate of plants under long-termed global pollution will be made through this research.

认识长期低剂量持续污染对植物生态性能的跨代影响及其遗传特征变化，是理解全球污染条件下植物适应能力、生存潜能及进化前途的重要切入点。本项目以经历重金属持续污染不同世代长度的野生植物曼陀罗和栽培植物蚕豆为研究对象，分析持续污染条件下植物在资源获取与配置、繁殖能力等生态性能的跨代变化，同步研究持续经历污染世代长度不同的植物种群遗传多样性变化特征，通过集成分析和整合研究，揭示经历长期持续污染时的植物“资源配置变化→繁殖环节的资源减少→后代种子的数量与质量下降→种群遗传流失和遗传结构变化”的跨代生态过程，探索长期污染条件下植物生态性能变化与遗传流失之间的关系特征和生态机理，为进一步研究全球污染对植物生存能力和发展前途的影响提供理论支持和实证资料。

污染全球化对植物产生持久性的作用，这种作用以跨代推移和世代积累导致植物繁殖能力和遗传特征出现变化，对植物未来的适应和进化产生长远影响，但相关的研究还少见报道。本项目从污染进化生态学的角度，选择长期持续种植及生长在重金属污染土壤中的蚕豆（Vicia faba）、曼陀罗（Datura stramonium）为实验材料，对持续生长的世代长度不同的这些植物种群进行分析，取得了如下研究结果：（1）在长期持续铅镉重金属污染环境中，植物根系数量减少，植株矮化，整体存在旱生化趋势；植物吸收水分、营养元素的能力降低，光合能力、胁迫抗性水平呈现先升高后降低的状况；（2）随着世代的延伸，植物整体的生理生态性能下降，但对污染表现为一定的适应性，植物降低生理性能适应污染的属性与多个基因及其差异化表达有关；（3）植物生物量、热值的整体水平随着持续污染世代数增加出现降低的趋势，表明资源获得能力下降；（4）长期污染环境中，植物地下生物量相对增加，生长和繁育方面的生物量整体降低，但植物仍然保证了相对较高的生物量配置到繁殖器官中，不过高污染环境中繁殖质量依然下降；（4）随着植物在污染环境中持续世代数的增加，在20个世代内种群间的遗传分化达到6%，遗传多样性降低和遗传流失达到了20%；（5）在持续污染环境中植物出现的生态性能跨代变化与遗传流失，在不同种类间、不同品种间因不同的污染物及其作用时间呈现非线性变化；（6）本研究提出相关的生态机理是，在持续污染的选择压力下，植物种群中被淘汰的敏感性个体群携带的基因丧失，使其对种群基因库的贡献消失，世代积累势必导致遗传流失的后果。本项目初步揭示了在持续污染条件下植物生态性能与遗传流失之间的关系变化，为进一步探究持续性的污染对植物生物多样性、生态性能影响与微进化提供了科学资料。未来应进一步研究长期持续污染环境中生物的适应性与进化前途。