不同染色体倍性桦木属树种的水力结构研究

Polyploidization is one of the moist important mechanisms for speciation in plants and many studies have shown that dramatic changes in basic biology resulting from polyploidization often contribute to obvious habitat differentiation among species or ecotypes with different ploidy levels; however, the underlying physiological mechanisms are still awaiting more thorough investigations. The ploidy level difference between birch species in Changbai Mountain along with their obvious habitat differentiation with the change of elevation and water availability provides a natural experiment for studying environmental adaptation of polyploids and the underlying physiology. For the present project, we propose to investigate physiological mechanisms underlying adaptive differences of diploid and polyploid birch species with respect to freezing and drought tolerances. Xylem hydraulic conductivity, resistance to drought and freeze-thaw induced embolism and the ability to repair embolized xylem conduits by root pressure will be investigated in adult birch trees. Morphological, anatomical and physiological differences will be measured to explain contrasts in hydraulic architecture between species of different ploidy levels. Seedling experiment will be carried out to investigate differences between birch species in root and shoot hydraulic conductance, leaf gas exchange, growth rate and sensitivity to drought and freezing stresses, which will be used to demonstrate whether functional trade-offs contribute to niche differentiation between birch species of different ploidy levels. This study will provide a novel model for understanding the physiology and ecology of polyploids that has important scientific merits as well as implications for the utilization of polyploid plants.

染色体组多倍化是植物进化的一种重要驱动力，常导致植物的各种基本生物学特征发生改变，造成不同倍性的物种或生态型沿着环境梯度发生生态位分化，但其生理学机制亟待明确。本项目拟以长白山分布的二倍体和多倍体桦木属物种的成树和幼苗为实验对象，开展有关干旱和冬季低温胁迫相关的水分生理学研究。明确不同倍性桦木属物种成树在木质部水分传导效率、抵抗干旱和冻融循环诱导的气穴化的能力及根压修复能力等的差异，并阐明其相关的形态、结构和生理基础；比较不同倍性桦木属物种幼苗在木质部水力导度、叶片气体交换生理、生长速率及其对干旱和低温胁迫敏感性方面的差异。阐明细胞倍性介导的种间竞争力和抗逆性间的权衡关系，揭示不同倍性桦树种在各自生境中保持水分平衡和竞争优势的生理机制。本研究将融合水分生理学和生态学两个领域的重要科学问题和研究方法，为加深对多倍化这一重要生物学过程的认识与更好地利用多倍体植物提供基础理论支持。

细胞染色体组多倍化是自然界植物进化和新物种形成的重要机制，植物多倍化一般伴随诸多基本生物学特性的显著变化，多倍体植物常具有许多优良性状，使得多倍体研究具有重要的潜在应用价值。多倍体植物在胁迫较为严重的环境中出现的比例显著增大，特别是在高纬度和高海拔地区多倍体植物尤为常见。高寒生境中除了低温对植物细胞组织的直接伤害以外，频繁发生的冻融交替还可以通过诱导木质部水分传输障碍而造成伤害作用，目前关于多倍化与抗寒生理机理的研究非常缺乏。. . 本项目主要针对桦木属内不同染色体倍性差异的现象开展了研究，主要分析了倍性分化对木质部水分传输效率和安全的影响，并探讨了其环境适应意义。针对桦木属树种存在春季根压的较特殊现象，探讨了该生理过程对冻融交替存在的胁迫环境中树木水力安全的影响，以及该生理过程可能会通过影响碳水化合物分配对树木生产力产生影响的生理机制。.. 通过对上述研究内容的开展，获得了如下几方面的主要研究结果：1）细胞倍性差异对不同桦木种沿海拔梯度生态位分化具有重要影响。与二倍体桦木种（白桦和枫桦）相比，分布在较干旱和更严寒生境中的多倍体树种（岳桦和黑桦）具有更强的抵抗气穴化栓塞的能力，但导水能力的降低限制了其光合气体交换速率，导致多倍体树种在较为优越的生长条件下的竞争力下降，即不同倍性树种间抗逆性和竞争力间存在一个显著权衡关系。2）春季产生的木质部正压可以有效地修复冬季产生的栓塞，与不具有根压树种冬季栓塞对生长季水分传输存在显著不利影响的现象形成鲜明对比，揭示了春季根压的产生对桦树等树种适应寒冷生境具有重要的意义。3）冬季栓塞修复机制（根压、茎压）对树木的径向生长（年轮分析）和碳水化合物的分配产生了重要影响，导致不同功能类群树种间在抗逆性和生产力方面产生了显著分化，揭示了较高纬度和海拔生境中水力结构对树木环境适应性具有重要影响的生理机制。