北京地区典型木本植物休眠阶段划分与休眠解除机制研究

Dormancy is a phenological phenomenon that the growth and development of meristems of bud are temporarily stopped. Dormancy not only plays an important role in the survival of plants during extremely cold winter, but also affects the onset of spring phenology (e.g., leaf unfolding date, first flowering date). To date, for most woody plants, the questions such as the date for entry and release of endodormancy, the chilling requirement for dormancy release, and the effect of dormancy on cold resistance of plants remain unclear. In order to address these questions, this project selects ten typical woody plants in Beijing as the research object and determines the occurrence dates of endodormancy and ecodormancy. After dividing the stages of bud dormancy, we study the environmental factors and internal factors affecting endodormancy release and bud burst. The environmental factors refer to the chilling requirement of endodormancy release and the influence of chilling amount on the degree days required for subsequent bud burst. Internal factors refer to the key plant hormones controlling endodormancy release. Finally, we explore the effect of dormancy on the cold resistance of plants. The goal of this project is to reveal the relationship between endodormancy release and environmental factors, hormone metabolism and cold resistance for typical woody plants, and to provide a scientific basis for understanding the response of bud phenology of woody plants to environmental factors.

休眠是植物芽分生组织暂时停止生长的物候现象。休眠不仅关系到植物在冬季极端气候下的生存，还会影响春季物候（展叶始期、始花期）的发生。但目前对大多数木本植物休眠解除机制的认识不足，特别在解除自然休眠的时间、自然休眠解除的环境因子需求、自然休眠对植物抗寒性的影响等方面研究较为缺乏。有鉴于此，本项目选择北京地区10种典型木本植物为研究对象，首先确定各植物自然休眠和生态休眠出现的具体日期，划分芽休眠阶段；其次研究影响自然休眠解除和芽开放的环境因子和内在因子，其中环境因子主要涉及自然休眠期解除的需冷量以及冷激程度对后续芽开放积温需求的影响，而内在因子主要涉及控制自然休眠解除的关键植物激素；最后探究休眠对植物抗寒性的影响。项目目标是揭示典型木本植物自然休眠解除与环境因子、激素代谢和抗寒能力的关系，为深入认识木本植物芽物候对环境因子的响应和适应提供科学依据。

休眠是植物芽分生组织暂时停止生长的物候现象。休眠不仅关系到植物在冬季极端气候下的生存，还会影响春季物候（展叶始期、始花期）的发生。但目前对大多数木本植物休眠解除机制的认识不足，特别在解除自然休眠的时间、自然休眠解除的环境因子需求、自然休眠对植物抗冻性的影响等方面研究较为缺乏。有鉴于此，本项目选择北京地区14种典型木本植物为研究对象，开展了4个方面的工作：（1）揭示了北京地区典型木本植物抗冻性和休眠深度的季节变化及激素的作用，构建了可模拟抗冻性与休眠深度变化的生物气候指数；（2）研究了冷激、光周期和驱动温度对北京地区典型木本植物春季物候的影响；（3）利用连续两年的实验数据，优化了不同物种的冷激量化算法；（4）根据冷激量与积温需求之间的指数函数，构建了北京地区典型木本植物春季物候模型，模拟了未来物候变化。主要结果包括：（1）自然休眠（endodormancy）主要发生于10月至11月之间，之后休眠深度不断降低，进入生态休眠（ecodormancy）阶段。休眠主要由脱落酸（ABA）控制，随ABA浓度降低休眠深度不断降低。所有物种的抗冻性从秋季到第二年春季均呈现先加强后减弱的趋势，最大抗冻性出现在12月底，主要受赤霉素（GA）影响；低于一定温度的低温日数和考虑温度和光周期共同影响的抗冻性指数（CHI）能够分别准确反映休眠深度和抗冻性的季节变化；（2）温带植物的春季物候期主要受冷激、驱动温度和光周期共同控制。冷激增加或者驱动温度升高使开花或展叶始期显著提前。长日照与短日照相比对春季物候有微弱的提前效应。此外，三者之间存在交互效应，即低冷激时，温度和光周期作用更大；（3）随着冷激量的增加，春季物候的积温需求呈指数形式降低，但冷激与积温需求的指数函数在年际间不稳定，对每种植物选择物种特异的最优冷激算法可有效提升函数的拟合优度；（4）利用最优冷激量化算法建立了耦合冷激量与积温需求的春季物候模型，模拟发现未来100年春季物候期与过去70年类似，仍呈提前趋势，且对冷激响应敏感度越低的物种，春季物候提前趋势越大。这些结果揭示了典型木本植物自然休眠解除与环境因子、激素代谢和抗寒能力的关系，为深入认识木本植物春季物候对全球变化的响应和适应提供了科学依据。