植物对变化环境的适应：快速进化与表型可塑性

Natural plants always live in temporal-spatial changing environments. Rapid evolution and phenotypic plasticity are two important strategies for plants to cope with changing environments and to maintain or to improve fitness. The invasive plant Solidago canadensis is taken as the research species in the study. Different populations established in different space and time will be extensively sampled. The molecular marker SSR will be applie to study the genetic diversity and genetic structure of populations, and to detect the distribution patterns of genetic variability. Common garden experiments will be established to study phenotypic traits and plasticity of plants treated with different environmental factors, and to reveal the differentiation patterns between populations, and to infer the role of natural selection in population differentiation. What contributions of quantitative traits (especially those related to propagation) and the plasticity influenced by different climatic or habitat factors to fitness will be analyzed, and to uncover the selection power of evolution. Combined with these three results, we intend to elucidate adaptation mechinisms of rapid evolution and phenotypic plasticity to heterogeneous environments, and to discuss the relative contributions to improve plant invasiveness. It is of very importance to carry out the study, which will enrich the understanding to plant invasive mechnisms, and to further deepen our comprehension to plant adaptation to changing environments.

自然界的植物总是生活于时空变化的环境中，快速进化和表型可塑性是植物适应变化环境以维持或提高种群适合度的两种主要策略。本项目以入侵植物加拿大一枝黄花为对象，广泛采集不同时空建立的种群，利用SSR分子标记法研究种群的遗传多样性和遗传结构，揭示种群间的遗传变异分布式样；利用同质园实验，研究不同环境因子对表型性状及其可塑性的影响，揭示其在种群间的分化规律，以及自然选择对种群分化所起的作用；并通过分析数量性状（特别是繁殖相关性状）及其可塑性在不同气候或生境因子影响下对适合度的贡献，阐明种群进化的选择作用。综合上述三个方面的研究结果，最终阐明快速进化与表型可塑性对植物适应变化环境的机制以及探讨它们对促成植物成功入侵的相对贡献。这项研究不但能丰富和加深对植物入侵机制的理解，更对进一步理解植物适应变化环境的机制有重要意义。

植物对未来变化的环境因素的适应机制是生态学关注的核心问题。本项目针对全球变化中的一些重要因素，如增加的养分输入、气候暖化、UVB的增加等，利用以加拿大一枝黄花为主的多种植物为实验材料，主要通过控制实验研究植物对变化的各类环境因子的响应，探讨其适应机制。. 加拿大一枝黄花对增强的氮素输入表现出显著的生物量增加，除株高未受显著影响外，净光合速率、根状茎、分枝数、花序数量等都有显著促进。增加的磷素输入只在中等水平促进加拿大一枝花的生长，过高的磷素输入对植物有负面影响。植物在无额外硫素输入或低硫环境下生长得更好，高硫环境抑制植物的生长。这些结果可能暗示着在未来全球氮沉降继续增加，磷元素输入有所增加，而持续的大气环境治理导致硫输入降低的背景下，加拿大一枝黄花会生长得更好，在入侵群落中的竞争力更强，从而增大管理和控制的难度。. 将包括加拿大一枝黄花在内的多种植物单独或混栽于昼夜不对称的增温环境和增氮环境下，测定光合气体交换参数、形态学性状、生物量性状和碳、氮、磷等元素含量，部分已完成的数据分析显示加拿大一枝黄花等多种植物的净光合速率受到了氮增加的显著促进，生物量有显著增加，但增温处理对净光合速率、生物量和形态学性状基本未产生显著影响，且增温和增氮处理间也未见有显著的交互效应。增温和增氮处理显著地影响了叶片的C:N，但对N:P影响甚微，不过处理效应在物种间差异显著。多种本地植物构成的人工植物群落对增加的氮环境表现出地上生物量的增加，但对暖化环境没有表现出显著的反应，加拿大一枝黄花的侵入对由一年生植物构成的群落影响更大。. 综合而言，多种植物对未来可能的变化环境表现出很强的适应能力，但加拿大一枝黄花作为一种有严重影响的入侵植物，它对变化环境的强力适应可能对管理相关生态系统和控制其扩展产生不利影响，本项目的研究有助于理解其中的生态学原理，对管理植物资源和控制植物入侵也有一定的指导意义。