基于功能性状的暖温带及亚热带野生山茶对环境变化的响应机制研究

Plant functional traits have recently become hotspots of ecological research. Functional traits can respond to changes of environment and have impacts on ecosystems. Functional traits are decided by genetic background and environmental factors and therefore are reliable tools for the research of the relationships of plant and environmental change. Wild Camellia japonica was mainly distributed in Qingdao area of warm temperate zone and Zhoushan area of subtropical zone in China, with few populations. Adaptions of long time conferred different genetic background corresponding to their local climates to wild Camellia japonica in these two areas. In this project, we will select the wild Camellia japonica of warm temperate zone and subtropical zone as study objective. Field investigations and sampling at five islands in both Qingdao and Zhoushan and controlled experiments simulating environmental changes will be conducted. The differences of functional traits of wild Camellia japonica between two climate zones, and the differences of functional traits of wild Camellia japonica from two climate zones in response to environmental changes will be compared. Furthermore, the functional traits will be used to quantify the relative contributions of genetic background, i.e. the environment of original place, and environmental factors in the process of response. Based on aforementioned investigations and measurements, we hope to reveal the response mechanisms of wild Camellia japonica to environmental background of original place and environmental changes, to forecast the potential changing trend of the distribution pattern of wild Camellia japonica under changing climate scenarios and eventually to provide a scientific basis for the protection and exploitation of this rare plant resource.

植物功能性状是近年来生态学研究的热点，它能够对环境变化做出响应，对生态系统产生影响。植物功能性状由遗传背景及环境因素共同决定，是研究环境与植物相互关系的可靠工具。野生山茶在中国主要分布于暖温带的青岛地区及亚热带的舟山地区，种群数量较少，长期的进化使其获得了分别适应暖温带及亚热带的遗传背景。本项目拟以暖温带及亚热带的野生山茶为研究对象，在青岛及舟山的五个岛屿展开野外调查与取样，并设计室内控制实验模拟环境变化。通过比较不同气候带野生山茶功能性状的差异、不同气候带来源的野生山茶功能性状在环境变化条件下的差异性变化，以功能性状量化遗传背景（或原产地环境背景）及环境变化在野生山茶的响应过程中所做的贡献，揭示野生山茶对原产地环境背景及环境变化的响应机制，并在此基础上预测气候变化条件下野生山茶分布格局的变化趋势，为野生山茶种群的保护、开发与利用提供科学依据。

植物功能性状由遗传背景及环境因素共同决定，是研究环境与植物相互关系的可靠工具。本项目以暖温带和亚热带野生山茶为主要研究对象，通过野外调查、人工模拟控制实验，借助数据挖掘和模型模拟等方法，从生理生态学、胚胎发育和分子生物学上水平，基于功能性状揭示野生山茶对环境变化的响应机制，以及原产地环境背景在野生山茶响应环境变化的过程中所起的作用，并预测野生山茶在未来气候变化情景下的潜在分布区。.野外调查发现暖温带野生山茶所生长的岛屿受人为干扰严重，种群年龄结构为衰退型，亚热带野生山茶所生长的岛屿受人为扰动较少，种群年龄结构为稳定型。基于控制实验，筛选了响应环境变化的主导功能性状，叶绿素荧光特征受水分、光照及温度影响，而叶绿素含量仅受到温度影响；气体交换指标和可溶性蛋白浓度受到水分及光照的影响，而不受温度影响。暖温带和亚热带野生山茶对相同环境因子的响应机制类似，野生山茶原产地对大部分野生山茶功能性状没有显著影响，仅少量生理指标受原产地影响，暖温带和亚热带野生山茶并未发生明显生态分化。控制实验还发现遮荫能够缓解干旱对暖温带野生山茶的不利影响；低水平的氮沉降可以促进暖温带野生山茶的生长，而高水平氮沉降对其生长有抑制作用。.两种模型均预测在未来气候情景下野生山茶潜在分布区将扩大，亚热带地区，特别是长江流域将为野生山茶提供更多的潜在分布区。对暖温带野生山茶的胚胎发育和花色苷的研究表明，暖温带野生山茶在山茶属内是较为进化的；暖温带山茶生殖细胞冬季休眠的特点、花芽以及胚囊结构特征可能帮助其生殖细胞顺利露地越冬。对山茶属植物叶绿体基因组分析发现叶绿体基因组结构在山茶属内具有高度保守性，叶绿体的基因组数据能够支持山茶属植物的系统关系。从暖温带野生山茶中寻找和克隆出山茶抗寒基因CjICE1，研究发现该基因能增加转基因拟南芥的抗寒性，证明该基因可增加暖温带野生山茶的耐寒性。.本项目资助发表SCI论文6篇，国内核心期刊论文2篇。