放牧是草原生态系统最主要的人为干扰因素,也是草原群落构建的重要"外部"过滤因子.然而,关于放牧强度对草原群落构建的作用机制,尤其是在这一过程中种内性状分化和种间性状差异的相对作用目前的了解还比较有限.为此,该研究利用在内蒙古典型草原建立的长期放牧控制实验平台,采用土芯法(环刀)取样,系统分析了植物群落地上(株丛、叶片)和地下(根系)性状对放牧的响应.通过环刀-小区和小区-样地两个推绎尺度,研究了基于种内与种间性状变异的放牧强度过滤作用.研究结果表明:(1)随着放牧强度的增加,大多数地上性状的种内和种间变异呈增加趋势,而根系性状的种内和种间变异则显著降低.(2)随着放牧强度的增加,在环刀尺度上,基于地上性状的种内变异和种间差异的放牧过滤强度先增大后减小,在中度放牧时达到最大;然而基于地下性状的种内变异和种间差异的放牧过滤强度逐渐增加.在小区尺度上,基于地上性状的种内变异和种间差异的放牧过滤强度呈线性降低趋势;而基于地下性状种内变异的放牧过滤强度增加,基于种间差异的放牧过滤强度减弱.(3)随着空间尺度增大,放牧强度对草原群落构建的影响由基于种间性状差异的过滤作用逐渐转变为基于种内性状变异的过滤作用,此过程受土壤水分和养分的调控.这些研究结果为深入揭示放牧对草原群落构建的调控机制提供了科学依据,也为正确理解长期放牧导致的植被景观异质性和尺度效应评估提供了重要参考.该研究中叶片和根系性状主要考虑了结构性状,因此具有一定的局限性,未来研究可结合叶片和根系碳氮含量等化学性状指标,以全面理解放牧对植物地上、地下性状变异的调控机制.

植物功能性状及性状间权衡关系对揭示植物生长策略、资源分配模式以及探讨其生理生态过程的内在机制具有重要意义,但针对雌雄异株植物功能性状对其生境响应的性别差异却鲜有报道.以雌雄异株植物黄柳当年生末端小枝为研究对象,从枝水平、叶水平比较雌雄植株功能性状及性状间权衡关系对风蚀环境响应的性别差异.结果显示:小枝水平上,对照环境下雌雄植株茎干重-总叶干重之间的权衡均倾向于总叶干重,风蚀环境下则倾向于茎干重,且雌株权衡值分别为雄株的4.3倍和3.7倍;雌雄植株茎干重-总叶面积的权衡在各生境下均偏向于茎干重,两性的权衡值差异不大.叶水平上,相同叶片干重下,风蚀对雄株叶片面积生长的抑制作用更显著;雌株叶片干重与叶柄干重呈等速生长关系,而雄株呈小于理论值1的异速生长关系,且在风蚀环境中,相同叶柄干重下,雌株叶片干重的累积速率比雄株快.研究表明,黄柳雌雄植株小枝各功能性状间的关系对风蚀环境具有不同的响应,雌株比雄株更倾向于将资源投资在光合器官生长中,且风蚀对雄株光合器官生长的抑制作用更显著.

群落构建是生态学研究中的论题之一,对湿地植物进行群落构建研究将会对湿地植物的修复与重建工作具有重要意义.为探究城市沿江湿地植物群落构建主要驱动力,以闽江福州段湿地为例,选取四个典型城市沿江湿地公园,基于系统发育结合功能性状的方法,测定其样地植物地上、地下功能性状与土壤因子,并且构建系统发育树、检测系统发育信号、并计算系统发育指数.结果表明:(1)土壤因子与植物功能性状在四个湿地间都具有显著差异,土壤电导率与比根长的变异性最大.土壤含水量与是影响植物性状变异的主要因素.(2)除叶全氮含量外,其余7个功能性状未检测出明显的系统发育信号,植物功能性状表现为趋同.(3)甘蔗湿地与乌龙江湿地的系统发育结构趋于发散,群落构建的主要驱动力为环境过滤.塔礁洲湿地与闽江河口湿地的系统发育结构表现为聚集,限制相似性为主要驱动因素.总体而言闽江福州段湿地植物群落构建过程由生态位理论主导,环境过滤和相似性限制为主要驱动因素,土壤含水量作为主要的环境筛选影响着闽江福州段湿地植物群落构建过程.不同生境下生态位分化的驱动因素不同,植物功能性状的种间种内变异反映了植物对环境异质性的响应机制.

目前尚不清楚地表臭氧(O3)污染下植物、土壤和微生物之间的直接或间接相互作用对森林地上和地下固碳功能的影响.采用开顶式气室装置和结构方程模型,研究4种O3浓度下欧美杨107(Populus euramericana cv.'74/76')的光合性状、叶和细根生化性状、土壤理化因子和土壤微生物群落特征对地上和地下生物量降低的直接和间接效应.结果表明,O3浓度升高(86 nmol/mol)分别导致杨树地上、地下和总生物量相比对照分别下降16％、11％和15％,对地上生物量降低的影响大于地下生物量.结构方程模型发现光合速率、叶淀粉和叶非结构性碳水化合物对地上生物量有直接的影响;表明O3主要通过影响植物的光合生理代谢过程对地上生物量积累产生直接作用.O3对地下生物量的影响是通过直接影响叶氮和土壤总碳,叶氮再影响叶淀粉从而间接影响地下生物量.土壤pH、总碳和土壤微生物(细菌和真菌群落)对地上产生直接效应,且O3对真菌群落的影响效应大于细菌群落,表明植物通过地下过程对O3的响应可直接反馈作用于生物量的积累和分配过程.本研究通过解析植物、土壤和微生物之间的直接或间接相互作用为评估O3污染对杨树人工林地上和地下固碳功能的影响提供科学依据.

基于植物群落叶功能性状的角度研究植物群落与环境的关系有助于探究植物的适生策略.然而,目前关于江心洲植物群落叶功能性状的研究还有待深入探究.基于此,选取8项植物群落叶功能性状指标和9项土壤理化性质指标,探究闽江福州河段5个江心洲3种不同生境类型(洲岸沙滩、洲岸泥滩和洲中央林地)的植物群落叶功能性状与土壤因子特征及其响应机制.结果表明:(1)除土壤温度外,江心洲不同生境的其余8个土壤理化因子存在显著差异.(2)江心洲不同生境的植物群落叶功能性状存在显著差异.在灌木层上,洲中央林地的叶面积(80.935 cm2)显著高于洲岸泥滩(31.685 cm2)和洲岸沙滩(14.280 cm2);在草本层上,洲中央林地的比叶面积(535.684 cm2/g)显著高于洲岸沙滩(384.974 cm2/g);然而,在乔木层上,不同生境的植物群落叶功能性状无显著性差异.(3)影响江心洲不同生境植物群落叶功能性状的主要土壤因子不尽相同,洲岸沙滩为土壤温度,洲岸泥滩为土壤含水量、土壤全碳含量和土壤容重,洲中央林地为土壤容重和土壤含水量.研究发现,与相对远离闽江的洲中央林地相比,河流水动力和潮汐的干扰导致洲岸沙滩和洲岸泥滩的生境发生变化,植物群落通过调整资源分配利用的适生策略,权衡功能性状组合以适应环境的变化.

[目的]水稻的抽穗期对水稻地域适应性及水稻产量至关重要,对水稻抽穗期基因进行鉴定及功能分析,可以为水稻育种提供优异的基因资源.[方法]通过BSA-seq方法对一个黄化早抽穗突变体hz1(huangzao 1)进行基因定位克隆及连锁分析;利用RT-qPCR技术分析目的基因HZ1 的表达谱,并用水稻原生质体瞬时转化查明HZ1 的亚细胞定位;对突变体的抽穗期、叶绿素含量、过氧化氢含量等生理指标进行测定,详细分析其表型变化.[结果]田间表型观察发现hz1表现早抽穗,长日照(long-day,LD)及短日照(short-day,SD)条件下hz1 的抽穗期相同,分别比野生型(wild type,WT)早抽穗 43 d和 26 d,表明hz1 是一个光周期不敏感的突变体.同时hz1 表现黄化表型,相比WT,叶绿素含量下降.遗传分析表明hz1 由隐性单基因控制,F2 混池高通量测序将目的基因定位于水稻第 6 染色体上 17.8 Mb区间内,分析发现该区间内一个T-DNA插入位点LOC_Os06g40080 与hz1 目标性状完全连锁,LOC_Os06g40080 为已知的SE5 基因,编码血红素加氧酶 1(heme oxygenase 1,HO1).HZ1/SE5 在叶片中高表达,在LD及SD条件下具有昼夜节律性表达.亚细胞定位发现HZ1/SE5 蛋白定位于叶绿体中.表达调控分析表明HZ1/SE5主要通过调控水稻成花素Hd3a和RFT1 的表达来调控水稻的抽穗期;并通过调控叶绿素合成途径相关基因的表达水平影响水稻叶绿素水平变化.[结论]黄化早抽穗突变体hz1 由于血红素加氧酶编码基因SE5 突变导致其对光周期不敏感,HZ1/SE5 基因通过调控水稻成花素基因及叶绿素合成途径相关基因的表达而影响水稻的抽穗期及叶片的黄化.

[目的]异戊烯基转移酶(isopentenyl transferases,IPT)参与反式玉米素(trans-zeatin,tZ)的生物合成.tZ是调节植物生长发育和抵抗逆境胁迫的一种细胞分裂素类型,在促进芽生长和调控植物侧枝发育方面具有重要作用.探索IPT的功能,为后续新麦草产量性状改良提供了理论依据.[方法]通过对新麦草IPT进行系统发育和多序列比对,探究其编码氨基酸序列的特征和同源性.通过花粉管通道法获得过表达PjIPT拟南芥(Arabidopsis thaliana)植株,并运用逆转录PCR(RT-PCR)和蛋白质印迹(Western blot,WB)对转基因植株进行验证,利用实时荧光定量逆转录PCR(RT-qPCR)对其组织表达模式进行分析,使用液质联用系统测定反式玉米素.[结果]IPT在新麦草(Psathyrostachys juncea)和二粒小麦(Triticum dicoccoides)等麦类作物中具有高度同源性,且AtIPT9 是PjIPT的同源蛋白.通过花粉管通道法获得过表达PjIPT拟南芥(Arabidopsis thaliana)植株,证明PjIPT上调植株分枝数.RT-PCR和蛋白质印迹分析显示,PjIPT在转录水平和蛋白水平均能够正常表达.利用不同部位组织RT-qPCR分析PjIPT的空间特异性表达,结果显示,PjIPT在拟南芥的分蘖节和叶中特异性表达.此外,反式玉米素的定量分析表明PjIPT通过参与tZ的生物合成去调控拟南芥植株分枝数.[结论]PjIPT是上调植株分枝数的关键基因.

细根是植物在生长发育过程中吸收与运输养分的重要器官,研究不同菌根类型植物幼苗细根功能性状之间的变异与权衡有利于更全面地理解植物早期的生存策略.该研究以黑龙江凉水国家级自然保护区阔叶红松(Pinus koraiensis)林内3种丛枝菌根(AM)和3种外生菌根(EM)树种幼苗为研究对象,通过测定其细根的3个形态性状:比根长(SRL)、根组织密度(RTD)、根直径(D)与4个化学性状:全磷(P)含量、全碳(C)含量、全氮(N)含量、碳氮比(C∶N),分析了细根性状在不同菌根类型间、根级间以及根功能模块间的差异及其权衡.结果表明,与AM幼苗相比,EM幼苗细根具有更大的RTD,这是由于AM真菌的定植方式会增大细根的体积,同时提高AM菌根对限制性养分的吸收能力,而其余性状在两种菌根间无显著差异;AM幼苗细根整体符合资源获取型策略,而EM则相反;随着根级增加,两种菌根幼苗细根的RTD、D均显著增加,SRL则显著减小,细根的功能从主要负责吸收转变为主要负责运输,细根的C含量、C:N随之上升,N含量下降;细根的形态特征与化学计量特征间存在权衡关系,即根功能模块随根级变化时,细根的形态性状与化学性状也产生相应改变,研究结果支持根经济谱假说.

功能性状能单独或联合反映植物对环境变化的响应和适应策略并影响生态系统功能,探究河漫滩湿地植物功能性状及其空间特征,对理解河漫滩湿地植物的生态适应性机制具有重要意义.该研究选取武汉周边5条河流,对30种常见湿地草本植物的10个功能性状进行测定,对性状之间的相关关系、性状空间质量、性状重要性及物种在空间的分布进行了分析.结果显示,植物功能性状变异较大,性状与性状之间关联较弱;在功能性状空间中,当维度从1维增加至4维时,空间质量快速上升,6维空间质量最高;综合降维及空间质量,分析了4维性状空间的特征,在4维空间中,寿命、地下茎、株高、叶面积、比叶面积、叶干物质含量、叶氮含量以及叶碳含量与性状功能轴存在显著的相关关系,对功能性状空间的构建具有重要作用;16种植物位于凸包顶点,其中有10种植物出现频率较高,表明大部分湿地植物在性状上都有一定的独特性,在塑造性状空间中有重要作用.

[目的]白三叶入侵会挤占草坪草的生存空间,严重威胁草坪的质量和功能.明晰白三叶入侵对草坪植物草地早熟禾功能性状及草坪质量的影响,可深入了解白三叶入侵机制,为禾本科草坪的建植养护提供理论依据.[方法]以白三叶入侵草地早熟禾草坪为对象,采用样地调查方法考察不同白三叶入侵程度(对照及轻度、中度、重度入侵)下草地早熟禾功能性状及草坪质量的差异,并通过隶属函数法综合评价各入侵程度下草坪质量.[结果](1)随白三叶入侵程度的增加,草地早熟禾各器官碳含量、叶片建成成本及碳氮比、碳磷比和氮磷比逐渐降低,而比叶面积、各器官氮和磷含量增大.(2)同一入侵程度下,草地早熟禾各器官碳、氮和磷含量均表现为叶大于根和茎,碳氮比和碳磷比表现为根和茎大于叶,而其氮磷比表现为茎和叶大于根.(3)随白三叶入侵程度的增加,草地早熟禾草坪密度、质地、绿度指数和均一性降低,而地上生物量和地下生物量增大.(4)隶属函数法综合评价结果显示,草坪质量以白三叶未入侵时最优,重度入侵时最差,且叶碳含量对草坪质量的影响最大.[结论]白三叶入侵改变了草地早熟禾功能性状,降低了入侵区草坪质量,严重影响了草坪景观和功能.