基于功能性状的亚热带外来植物入侵性及其适应进化研究

Understanding the functional traits and ecological mechanisms associated with successful invasions of alien plants is a key role of the field of invasion ecology.Functional traits that have been studied in relation to their invasions mainly include seed characters, and morphological,developmental, physiological, clonal and propagation characteristics, as well as genetic variation and plasticity of phenotype, however, whether functional traits of invasive plants could explain their invasion in different environments is still unknown. In this study we will (1) use step ANOVAs and PICs (Phylogenetically Independent Contrasts) to detect the difference in functional traits between the invasive and the non-invasive plants species from three natural communities (eastern Guangdong, south of Jiangxi, and middle of Hunan province), which are in a diffusion direction of invasive plants in China, and further to reveal the relationship between functional traits of alien species and their invasion, (2) investigate the difference in functional traits and genetic basis among populations of invasive plants which are high frequency in subtropical regions including Bidens pilosa, Conyza canadensis, and Amaranthus spinosus by techniques of molecular biology, and further to analysis their ecological adaptations to different environments and evolution strategies. This pioneering work may have a breakthrough to reveal the invasion mechanism and evolution strategy of invasive plants, and find a new way for prediction and control of alien invasive plants.

植物功能性状与入侵性的关系已有研究报道，但不同环境中入侵植物的功能性状能否能解释其入侵性尚不清楚。本研究拟在我国外来入侵种相对较多的亚热带区域，沿东南部向西北方向即入侵种的扩散方向，以粤东（潮汕）、赣南（赣州）、湘中（株洲湘潭）3 个地带自然群落为研究地，以系统发育方法 (PICs) 和逐步方差分析方法（step ANOVAs）对不同环境中入侵和非入侵草本植物功能性状进行种间比较研究，试图从群落水平上探查外来入侵植物功能性状与入侵性的关系；同时，以亚热带出现频率较高的入侵植物三叶鬼针草、小飞蓬和刺苋为材料，以分子生物学手段对不同地带种群间功能性状分异及遗传基础进行研究，从分子水平上揭示入侵植物种群间功能性状差异的遗传基础及其对不同环境作出的局域适应和进化策略。这一开创性工作可能会在揭示入侵植物的入侵机制和进化策略上有较所突破，为外来入侵植物的预测和防控寻求新的思路。

项目以我国外来入侵种相对较多的亚热带区域由东南向西北采集了粤东（142种）、赣南（122种）、湘中（196种）3个地域共460种植物扩散体（包括328种本土和132种外来植物），采集了粤东（121种）、赣南（191种）、湘中（183种）共495种常见植物的叶样品；对种子性状（种子大小、萌发能力与休眠水平）和叶性状（叶面积、叶干物质含量、比叶面积）进行种间比较研究，从种子繁殖能力和植物捕获资源能力方面探查了外来植物的入侵机制及其适应进化策略，为外来植物入侵的预测和防控提供了信息。1）植物种子萌发率和萌发开始时间的种间分异主要受到物种系统发育的控制，也受到与系统发育密切关联的生活史属性影响。植物体高度、生活型、种子大小和种子扩散方式之间的交互作用是种子萌发率和萌发开始时间种间分异的主要驱动力。亚热带较高纬度地域种子萌发能力与物种原产地有关，外来入侵植物种子有更高的萌发率和较早的萌发开始时间；2）亚热带冬季短期低温由于能够促进种子萌发和破除休眠，因而有助于外来植物成功入侵；3）高大植物具有产生大种子、萌发率低，比叶面积大和叶干物质含量高的倾向；矮小植物具有产生小种子，高萌发率、比叶面积小和叶干物质含量低的倾向。高大外来植物产生大种子，但种子大小与萌发率之间无关联。4）叶性状的种间变异主要受到科类群、植物体高度和生活型的影响，与植物原产地、分布区无显著关联。亚热带3个地域的外来入侵植物与本土植物之间叶性状均无显著差异。5）在适宜温度范围内，小蓬草萌发率为52-55%、假臭草、鬼针草、金腰箭、金钮扣和藿香蓟种子萌发率达到80-95％；小蓬草和鬼针草萌发的生物学零度较低（分别为3.94℃和5.48℃），金腰箭、假臭草、藿香蓟其生物学零度分别为16.90℃、12.56℃和11.12℃。除了金腰箭外，以上5种菊科植物均具有向高纬度地区扩张的潜力。6）在15℃（湿润）条件下，三叶鬼针草种子萌发率（82%-91.3%）> 微甘菊（18.67%-26%）> 鳢肠（8.67%-12%）>南美蟛蜞菊(0-1.3%) > 藿香蓟(0%);在25℃和25℃/15℃下，藿香蓟种子萌发率为34.7%-48.7%，鳢肠为57.6%-68%，南美蟛蜞菊为4%（25℃）和54.6%（25℃/15℃）,种子快速萌发、高萌发率，以及宽泛的萌发温度需求是外来菊科植物的主要入侵特性。