干旱环境中植物母体效应及其生理生态机制

Mothers can match the phenotype of their offspring to changes in the local environment and that maternal effects can be an effective means of buffering offspring from environmental stressors. Maternal environmental effect is an important component to elucidate the long-term adaptation of organism to environmental stress. However, some questions, such as the magnitude and its decreasing process of maternal environmental effect during different stages in life history remain unknown, and the mechanism is little proved with experimental evidence. We will perform continued 3 year experiments to study the maternal effect in response to drought in annual herb (Solanum nigrum). We will raise inbred replicate parent plants of eight genotypes in dry vs. moist soil to generate offspring of each genetic line that differed only in parental environment. Then we will monitor seedling development, reproduction process, the morphological characters of leaf, root and seed, physiological (water use efficiency, net photosynthetic rate etc), and biochemical parameters (soluble sugar content, ABA content etc) during 3 years. The magnitude and its decreasing process of maternal effect of drought will be elucidated with comparing the differences of transgenerational plasticity in seed, seedling and reproduction process. The eco-physiological mechanism of maternal effect in response to drought will be studied by investigate of the relationship of the characters of growth and reproduction with the parameters of morphology, physiology and biochemistry. The results will help us better understand the long term adaptive strategy to drought in plant.

母体通过向后代传递环境信息促使其表型发生改变，从而改善其应对环境变化能力，提高适合度，因此母体环境效应是生活史中不可或缺的环节，对于揭示植物长期环境适应性具有重要意义。然而，母体环境效应在生活史不同阶段的强度及衰减过程以及产生机制等并不清楚，限制了对母体环境效应的深度认识。本申请以1年生草本植物龙葵(Solanum nigrum )为材料，采用试验生态学方法，连续监测3个世代植株在干旱与对照处理实验过程中的生长、繁殖、生物量积累与分配、叶片与根系特征、水分与光利用效率、渗透调节物质与ABA含量等参数，阐明干旱环境中种子、营养生长及繁殖各阶段的代际差异性，揭示母体环境效应在生活史不同发育阶段的强度及其衰退过程，明确代际生态生理特征参数与生长繁殖成效的关系，评估母体环境效应改善后代应对干旱能力的效应，探讨母体环境效应产生的生理生态机制，深化植物对干旱环境的功能适应策略的科学理解。

母体通过向后代传递环境信息促使其表型发生改变，从而改善其应对环境变化能力，提高适合度，因此，母体环境效应是生活史中不可或缺的环节，对于揭示植物长期环境适应性具有重要意义。然而，自然种群的母体环境效应，以及控制实验条件下母体环境效应在生活史不同阶段的强度及衰减过程以及产生机制等并不清楚，限制了对母体环境效应的深度认识。本项目研究了多苞蔷薇自然种群中，母体环境差异对种子性状及休眠特征的影响，并以1年生草本植物龙葵(Solanum nigrum )为材料，采用试验生态学方法，连续监测母代和子代植株在干旱与对照处理实验过程中的生长、繁殖、生物量积累与分配等参数，揭示母体环境效应在生活史不同发育阶段的强度及其衰退过程，评估母体环境效应改善后代应对干旱能力的效应。 结果表明：1) 多苞蔷薇种子休眠水平随着母体环境海拔的升高呈增加趋势。种子休眠水平在不同的海拔间有明显差异，在较低海拔地区（1700-2100 m）为中度休眠，在较高海拔区域（2300-2500 m）为深度休眠。多苞蔷薇种子休眠的海拔梯度格局与高海拔母体植株产生的种子种皮更厚，以及母体环境温度降低，降水及土壤含水量增加有关。2）龙葵母体水分对种子大小与萌发的影响与种子成熟时间有关：第一成熟阶段，与干旱母体环境相比，对照母体环境种子更大，萌发速度更快，但发芽率以及野外播种下的出苗率没有显著差异；第二和第三成熟阶段，不同母体环境下种子大小、发芽率差异不显著，但第二成熟阶段，对照母体环境种子出苗率高于干旱母体环境。随着生长进程，母体环境效应适应性降低：处理15天，干旱母体环境下植株高度大于对照母体环境，而处理45天，植株高度小于对照母体环境。适应性母体环境效应体现在繁殖物候、根生物量与总生物量上：对照处理中，干旱母体环境延迟了龙葵首花期，显著降低了根生物量与总生物量；而干旱处理中，干旱母体环境对首花期、根生物量与总生物量没有影响。本研究从自然种群以及控制实验，证明了适应性母体环境效应的存在，深化植物响应剧烈变化环境策略的科学理解。