胡杨植物表型可塑性的生态发育机制及其适应进化意义

The mechanism of plant phenotypic plasticity is an important scientific issues of ecology, evolutionary biology and developmental biology. Populus euphratica is the ancient species of deciduous tree in arid area, which has typical variation of plant phenotypic plasticity in the leaf and individual development. It is very important for the study of adaptation and evolutionary to arid environment. The methods using in this program include in situ observations of ecology, measurement of plant physiological ecology and molecular biology technique. The main field of research the morphology and structure of leaf, the plasticity of physiological function, the plasticity of individual development and life history, the molecular basis of phenotypic plasticity, and so on. The key point of innovation is to reveal the mechanism of ecological development and the significance of adaptation and evolution of phenotypic plasticity of P. euphratica with the level of both leaf development and individual development. Furthermore the plasticity genes and epigenetic regulation of P. euphratica is also the new filed in the study of phenotypic plasticity variation. The research results can improve the direct evidence for the theory of plant phenotypic plasticity, which has important scientific value to enrich and perfect the theory of plant adaptative evolution. In addition, it also can provide scientific basis for the ecological restoration and protection of P. euphratica forest in desert area.

植物表型可塑性的发生机制是生态学、进化生物学与发育生物学等交叉学科共同关注的重要科学问题和研究热点。胡杨是干旱荒漠区古老的落叶乔木树种，其叶片和个体发育属于典型的植物表型可塑性变异，具有重要的适应与进化意义。本研究采用生态学原地观测、植物生理生态观测与分子生物学技术相结合的方法，研究胡杨叶片发育的形态结构变化、叶片发育的光合作用与水分生理功能可塑性、个体发育与生活史可塑性及其与光照、温度、水分等环境因子之间的关系，研究胡杨叶片形态变化的可塑性基因与差异蛋白质的特征及其变化规律等。主要创新之处是从叶片发育和个体发育两个层次探讨胡杨植物表型可塑性的生态-发育机制及其适应与进化意义，以表型可塑性变异为核心研究胡杨表型可塑性的分子基础及其表观遗传调控机制。研究结果可为植物表型可塑性理论提高直接证据，对于丰富和完善植物适应进化理论具有重要学术价值；也可为荒漠地区生态恢复以及胡杨林保护提供科学依据。

胡杨是古老的孑遗植物，也是干旱区重要的荒漠河岸林树种，具有重要学术研究价值，对于维护荒漠绿洲生态平衡具有重要现实意义。.本项目选择内蒙古额济纳旗胡杨林为研究对象，开展了不同树龄胡杨各种叶片的形态结构、生理生态特性及其与个体生长发育阶段的关系，胡杨叶片形态结构与生理生态特性的季节变化，胡杨不同叶片的转录组学和蛋白质组学等研究。.研究结果表明，（1）胡杨叶片形态随个体生长发育表现出显著的可塑性和变化规律。胡杨叶片长度减小、宽度增大；叶片形态依次为条形叶、披针形叶、卵圆形叶、阔卵圆形叶等类型。（2）胡杨不同形态叶片的叶面积、叶厚度、比叶面积和叶干重等性状随树龄增大和生长季节呈增大趋势。（3）胡杨幼小树龄的条形叶光合速率较大，蒸腾速率较小；树龄较大的胡杨披针形叶、卵圆形叶与阔形叶的光合速率和蒸腾速率呈递增变化趋势。（4）随着生长季节变化，胡杨各种叶片光合作用和蒸腾作用呈增大趋势。（4）土壤干旱胁迫下，胡杨各种叶片光合速率明显降低。其叶片具有明显的气孔限制调节机制。（5）胡杨不同生长发育阶段各种叶片的基因转录水平差异明显。幼龄胡杨条形叶和披针形叶的差异基因数量显著增加，大龄胡杨阔形叶和卵形叶的差异基因数量明显减少。（6）在不同生长季节，胡杨不同叶片的差异表达基因数量较多且变化较大，下调基因数量大于上调基因。其中披针形叶季节变化最大，其次为条形叶，卵形叶和阔卵形叶变化较小。（7）建立了胡杨叶片蛋白质分离提取的四维电泳技术体系，研究表明胡杨不同形态叶片蛋白质表达存在明显差异。条形叶蛋白质点较少，阔卵形叶较多。.本项目研究阐明了胡杨叶片形态发生、生理响应及其变化规律，揭示了胡杨个体生长发育阶段、不同生长季节叶片差异表达基因和蛋白质及其相关功能作用，为丰富胡杨适应干旱环境的分子机制研究提供了科学基础。