高寒草甸不同开花功能群植物繁殖期耐寒过程及机理研究

Numerous studies have indicated that warming advanced the reproductive stages of alpine plants on the Tibetan Plateau (including first bud/boot set, flowering and fruiting), some speculate that in the context of frequent climate change and extreme cooling events, altered reproductive phenology that caused by warming may face greater risk of freezing injury, and may negatively affect fitness, however, there is no empirical evidence. This project chooses middle and late flowering functional group plants on the Tibetan Plateau as objects, study the effects of warming on the reproductive phenology through different gradient warming experiment. These plants will be collected in PVC tubes at first bud/boot setting, flowering and fruiting, put them in the freezer, simulate different cooling ranges and durations, and record the freezing processes of their reproductive tissues by infrared thermal camera. Afterward, the plant leaves will be collected to measure the physiological indexes. Meanwhile, plants that experienced the same freezing experiment will be moved to the field to monitor the growth and development characteristics, seed production, and conduct seed germination experiment as well. Through previous studies, this project will reveal the freezing tolerance processes and mechanisms of different flowering functional groups at different reproductive stages under future climate change, test the ecological consequences of freezing from the perspective of fitness, thus improve our ability to cope with the adverse effects of future climate change.

多数研究表明增温提前了青藏高原高寒植物的繁殖期（包括现蕾、开花和结实期），有人推测在气候变化和极端降温事件频发的背景下，由于增温导致的繁殖物候期改变可能会面临更大的冻害风险，并对其适合度产生负面影响，然而目前还缺乏直接的经验证据。本项目拟选择高寒草甸中花和晚花植物为研究对象，通过梯度增温实验研究增温对它们的繁殖物候的影响；同时，利用PVC管采集这些植物的现蕾期、花期和结实期的植株，然后置于冰柜中，模拟不同降温幅度及其持续时间，利用红外热成像仪拍摄记录不同处理下植物繁殖组织结冰的全过程；冻害实验结束后，采集植物叶片测定其生理生态特征；同时也将经历冻害实验的植株移到野外继续监测其生长发育特征及种子的生产、并进行萌发实验。通过上述研究，揭示未来气候变化情景下不同开花功能群植物不同繁殖阶段的耐寒过程和机理，并从适合度的角度检验冻害的生态后果，从而提高我们应对未来气候变化不利影响的能力。

在全球气候变暖背景下，青藏高原高寒植物的春季物候大大提前，而极端低温事件频发使物候提前的植物遭受冻害的现象，了解高寒植物如何响应极端低温事件是目前急需解决的科学问题。该项目利用野外增温和降水控制实验平台观测了雪白委陵菜（Potentilla nivea）的物候序列，揭示温度和水分对植物物候序列的影响；同时，利用人工试验霜箱模拟不同程度的极端低温事件，监测高寒植物在不同物候期的温度变化，捕捉过冷却现象；采集遭受过冻害的植物叶片，测定生理指标；在野外自然状态下观测和记录植物的枯黄过程，比较遭受不同程度的冻害对植物的影响。通过研究发现如下主要结果和结论：.1..雪白委陵菜的返青期、现蕾期、初花期和盛花期均未受到增温和加水及其交互作用的影响，连续4年的观测表明物候序列在不同年份的差异较大。说明中开花功能群植物雪白委陵菜的春季物候受到温度和水分变化的影响较小，而更容易受到年际间气候差异的影响。.2..雪白委陵菜和小龙胆（Gentiana parvula）都在模拟极端降温事件的实验处理下出现过冷却现象，而过冷却点在不同程度的极端降温处理下差异显著，两年的实验结果均显示雪白委陵菜在最低温度-5oC持续1小时的处理下较少出现过冷却现象，在其余3个处理下均出现过冷却现象。与其不同，小龙胆4个处理下均出现过冷却现象，且过冷却点差异不显著。说明雪白委陵菜和小龙胆均通过过冷却现象方式抗寒，雪白委陵菜能够耐受最低温度-5oC持续1小时的极端事件，而小龙胆的过冷却点更多地由自身控制。.3..雪白委陵菜和小龙胆都在受到冻害后生理指标发生变化，不同指标的变化差异较大，而且同一指标在不同年份间不同物候期不同程度的处理下并未呈现一致的趋势。因此，还需要进一步深入研究植物响应不同程度冻害的生理机理。.4..雪白委陵菜和小龙胆都在受到不同程度冻害后的枯黄期呈现显著的差异，较为一致的现象是，在最高程度的实验处理，即最低温度-10oC持续4小时后，植物均在很短时间内枯黄，说明最高程度的极端降温事件对植物有致命的破坏。