樟科植物细根功能性状及对土壤水分的进化适应机理

Fine roots are the critical organ responsible for water and nutrient uptake from soil. Root traits reflect resource acquisition strategies adapting to the environmental changes, and have significant phylogenetic signals and multidimensional pattern of variation. In comparison to leaves, the relationships among root traits and their evolutionary adaptation to environmental changes remain less clear. Here we choose the family of Lauraceae, a key and important taxa in subtropical forests, which has been regarded as an ideal research group in the adaptation to environment during evolution owing to its ancient origin, intense evolution and wide distribution. In this project, we select 11 genera, 24 native species of Lauraceae in Chinese subtropical regions, and determine the root traits, including anatomy (cortical thickness and stele diameter), morphology (root diameter, specific root length, specific surface area and tissue density), chemistry (root carbon concentration and root nitrogen concentration) and root respiration rate, of 1-3 grade roots according to branching order. Furthermore, we construct the phylogenetic tree of Lauraceae with DNA bar code technology, and the water use efficiency and responses to soil water are reflected by the leaf δ13C value. The aims of this project are to test the correlations among traits and multiple covariation, to demonstrate the synergy of phylogeny, environment and traits, and then to reveal the evolutionary adaptation mechanisms of plants to soil water changes. This project could provide scientific bases for predicting the potential responses of plants and belowground ecological processes to global climate change in future.

细根是植物获取土壤养分和水分的重要器官，其功能性状反映适应环境变化的资源获取策略，具有强烈的系统发育信号和变异特性，但与地上叶片相比，细根功能性状之间的关系及其环境演变适应方面仍缺乏深入认识。樟科(Lauraceae)是亚热带森林的关键主导类群，起源古老，演化激烈，分布广泛，是研究植物对生境适应性进化的理想类群。本项目选择具有代表性的中国亚热带地区11属24种樟科树种，采用根序法分析1-3级细根的解剖结构(皮层厚度、中柱直径)、形态结构(细根直径、比根长、比表面积、组织密度)、化学特性(C、N含量)和呼吸速率，利用DNA条码技术构建系统发育树，以叶片δ13C值反映水分利用效率及对土壤水分的响应，阐明细根性状间的关系及多重共变性，明晰系统发育、环境条件和功能性状的协同作用，揭示植物对土壤水分变化的进化适应机理，为预测植物和生态系统地下生态过程对未来全球气候变化的响应提供科学依据。

细根是植物获取土壤养分和水分的重要器官，其功能性状反映适应环境变化的资源获取策略，细根功能性状之间的关系及其环境演变适应方面仍缺乏深入认识。本研究沿着纬度梯度，在湖南汝城九龙江、南岳衡山、新化大熊山采集了8属42种樟科植物细根样品，基于对7个构型性状、5个形态性状、4个解剖性状和3个化学性状的测定，重点从细根性状变异、系统发育规律、性状间关系、关键影响因子等方面揭示较小的系统发育尺度上细根的变异、性状间关系及系统发育规律，定量环境、系统发育和生物互作因子对细根功能性状变异的影响，结果发现：（1）樟科植物细根构型、形态、解剖和化学性状在属内和属间中等变异，不同性状表现出不同程度的属间差异；（2）性状之间具有不同程度的相关性，表现出显著的多维经济谱的根系性状模式，只有少量性状具有显著的系统发育保守性，多数性状表现出明显的进化规律；（3）樟科植物多数性状受环境的影响较大，土壤水分可获性显著影响细根构型、解剖和化学性状，植物水分利用效率只对维根比有显著影响，土壤养分含量对构型、形态、解剖和化学性状都有不同程度的影响，说明樟科植物不同类型性状采用不同的策略适应特殊环境变化；（4）土壤全氮和土壤有机碳是影响构型和形态性状的关键因子，土壤容重和土壤含水率及相关因子是影响解剖和化学性状的关键因子；（5）除了形态性状外，环境和系统发育以及生物互作因子对构型、解剖和化学性状变异解释量对最高。研究结果有助于探明植物系统进化规律和植物根系的变异规律，并可为全球变化下预测植物分布格局提供科学依据。