氮磷添加对拟南芥功能性状及其跨代间可塑性的影响

As the quantitative indicator reflecting plant adaptation and evolutionary strategies, plant functional traits can be used to understand plant physiological and ecological responses under changing nutrient environment. Studies on plant functional traits are mostly focused on vegetative organs, but less on reproductive organs. The coupling relationship of functional traits between organs and their response to nutrient environment are still unclear. The response of parental plants to the external environment may affect the phenotypic characteristics of their offspring, i.e. transgenerational plasticity. Hitherto, the transgenerational plasticity and its influencing factors under nutrient environment are still poorly addressed. In the proposed project, seeds of Arabidopsis thaliana from the same parental origin will be planted under nitrogen (N) and phosphorus (P) additions, the functional traits of each organ will be determined, and then the effects of N and P additions on the functional traits of different organs and their coupling relationship will be analyzed. Meanwhile, based on the platform of 14 generations of A. thaliana under different N and P addition conditions in our previous experiment, the parental seeds from different nutrient environments would be transferred to the common nutrient environment for 6 successive generations. By determining the functional traits of each organ, we will reveal the transgenerational plasticity of plant functional traits under nutrient environment, and further elucidate the effects of nutrient environment and planting generations on the transgenerational plasticity. The implementation of the project will contribute to broadening the study of plant functional traits, and provide scientific basis for assessing and predicting the adaptive evolutionary mechanism of species under nutrient changes.

植物功能性状作为反映植物适应和进化策略的定量指标，可用于理解养分环境下的植物生理生态响应过程。以往植物功能性状研究多集中在营养器官，繁殖器官的功能性状关注较少；器官间功能性状的耦合关系及其对养分环境的响应尚不清楚。亲本植物对外界环境的响应可能会影响它们后代的表型特征，即跨代间可塑性。目前，养分环境下的跨代间可塑性规律及其影响因素仍缺乏认识。本项目拟将同一亲本来源的拟南芥种子在不同氮磷添加条件下种植，测定各器官的功能性状，解析氮磷添加对不同器官的功能性状及其耦合关系的影响；同时，拟基于前期不同氮磷添加条件下连续种植14代拟南芥的实验平台，将来源于不同养分环境的亲本种子转移至相同养分环境下连续种植6代，揭示植物功能性状的跨代间可塑性规律，进而阐明养分环境和种植代数对跨代间功能性状可塑性的影响。项目的实施将有助于拓展植物功能性状的研究范畴，为评估和预测养分变化下物种的适应性进化机制提供科学依据。

植物功能性状作为表征植物生长状况的可量度特征，其在代际间的变化规律可以反映植物的适应和进化状况。因此，探究养分变化背景下植物功能性状的跨代间可塑性规律并提出高效监测植物功能性状的技术体系，对于科学评估和预测植物对全球养分变化的长期响应过程至关重要。本项目基于不同氮磷添加条件下连续种植多代拟南芥的实验平台，解析了亲本和后代的养分环境和种植代数对跨代间植物功能性状可塑性的调控，探究了种植密度和养分环境对植物功能性状的交互调控，并开发了一套新型高光谱遥感技术用于快速测定植物功能性状，主要有以下发现：（1）亲本的氮磷养分环境对后代的植物个体大小、物候和生物量分配基本没有显著影响；（2）相比亲本氮磷养分环境，后代的氮磷养分环境对其自身的植物功能性状产生较显著影响，氮添加提高植物个体大小、延长开花时间、降低叶和繁殖器官生物量分配比例、增加茎秆生物量分配比例，磷添加提高植物个体大小、缩短开花时间、降低叶生物量分配比例、增加茎秆和繁殖器官生物量分配比例；（3）亲本种植代数对开花时间、植物个体大小及其变异系数的跨代间可塑性规律没有显著影响；（4）后代种植代数对植物开花时间、个体大小及生物量分配的跨代间可塑性规律影响较弱且无一致规律；（5）生物量大小、根冠比和氮磷计量关系均受到种植密度和氮添加水平的交互调控，最终产量恒定法则在低氮条件下并不适用，氮磷幂指数法则在拟南芥中也并不适用；（6）高光谱遥感技术可用来准确预测植物的多种功能性状，包含植物形态结构和生理生化性状等。本项目研究结果明确了植物功能性状的跨代间可塑性规律及其影响因素，提出了针对植物功能性状的新型高光谱监测方法，有助于阐明养分变化背景下植物生理生态过程的响应规律及其适应性进化机制，为评估和预测全球养分变化对植物个体乃至种群的结构、功能和动态提供科学依据。