种子地上下结实的生态学特性及其适应意义-以两型豆为例

We will determine the ecological and adaptive significance of an annual amphicarpic species (Amphicarpaea edgeworthii) by experimental ecological methods in this case study. This project includes following studies: (1) the differences in seed characteristics and in responses of seed dormancy and germination to temperature and light between aerial and subterranean seeds will be determined to understand the relationships between seed dormancy and germination and environments, (2) soil seed bank dynamics and dormancy cycling of aerial and subterranean seeds will be studied to elucidate the population maintenance and regeneration mechanisms in the natural habitat, (3) effects of soil moisture and light intensity on growth and reproduction of plants originated from aerial and subterranean seeds will be measured to reveal the effects of moisture and light heterogeneity on the growth and fruiting of amphicarpic plants, (4) the developmental environments will be changed between aerial and subterranean seeds to determine the effect of micro-environments on the morphological and physiological traits of dimorphic seeds, and (5) differences in seed traits from different regions will be compared and seeds collected from different regions will be planted in a common garden to discuss the role of phenotypic plasticity of amphicarpy in the adaptation of A. edgeworthii to different environments. Further, we hypothesize and verify that amphicarpic plants use bet-hedging and HL-LH strategies to enhance the adaptive ability to heterogeneous environments. Our study will enrich the life history strategy theory by propose and verify the theory of the specific life history strategy of amphicarpy.

本项目利用实验生态学方法，以具有地上下结实特性的一年生植物两型豆（Amphicarpaea edgeworthii）为材料，通过研究：1）地上下种子特性、休眠与萌发对环境温度和光照响应的差异，理解地上下种子休眠与萌发与环境的关系；2）地上下种子土壤种子库的年际动态及休眠循环，阐明两型豆种群的维持和更新机制；3）土壤湿度和光照强度对二型种子形成的植株生长与繁殖，阐明林下水分和光照对二型植株生长及结实的影响；4）将地上下果实发育环境互换，揭示小生境对二型种子形态和生理性状的影响机制；5）比较不同地理环境分布的两型豆种子性状的差异性，以及在同质园环境下的性状特点，探讨地上下结实性的表型可塑性特点以及在该物种适应多种生境中扮演的生态角色。推测并验证两型豆采取两头下注和HL-LH风险策略来提高对环境的适应能力。该研究提出和验证地上下结实性植物特殊生活史对策的相关理论假说，将丰富和完善植物的对策理论。

项目的背景：植物在长期的进化适应过程中形成了不同的适应对策，以便在环境改变时通过快速适应来增强自身的适应性。地上下结实性作为一种特殊的繁殖对策，对认识植物的生态适应机制、进化生态学等研究中具有重要价值。本论文以两型豆为研究对象，探讨植物地上下结实性对环境的适应策略。.主要研究内容：1、地上下种子的性状差异；2、地下种子的脱水敏感性；3、光照强度对地上下种子形成植株生长与繁殖的影响；4、发育环境对地上下种子发育和生理特性形成的影响；5、地上下果实发育环境互换后，小生境对二型种子形态和生理性状的影响机制；6、地上下种子发育过程中的蛋白质组学。.重要结果、关键数据及其科学意义： 1、地上下结实种子在形态结构、休眠与萌发、散布特性上具有显著差异。地下种子在大小、重量和含水量均显著大于地上种子；地上种子存在复合休眠，地下种子存在生理休眠；地上种子存在持久土壤种子库，地下种子存在短暂土壤种子库。2、地下种子具有脱水敏感性，新成熟的地下种子的初始含水量较高，随着脱水时间的延长，萌发率逐渐降低，抗氧化酶活性降低，细胞膜脂过氧化程度加剧，种子活力的降低。3、光照强度和种子异型类型对两型豆在林下生境的生长影响显著。全光照下，植株投入更多资源给地上种子，达到扩大种群的目的；遮光条件下，地下种子的比例增高，更多通过地下种子使其种群得以维系。4、地上下环境对异型种子的发育和特性有显著影响，地上种子在地上环境下的鲜重呈现先增加后减少的变化规律。5、将地上下种子的发育环境互换会导致地上下种子的特性发生反转。地下种子暴露在空气中发育会形成地上特性的种子；而地上种子埋到地下发育会形成地下特性的种子。6、地上种子的胚和子叶中分别发现74和68个差异蛋白，地下种子中分别有70和60个差异蛋白。.两型豆地上下种子通过性状的差异，降低在异质性生境中适合度的变异，确保部分后代在变化环境中的存活，是一种“两头下注”策略。