河岸带植物水蓼对水淹环境的适应可塑性研究

Phenotypic plasticity of plants is a ubiquitous phenomenon in natural ecosystems, while it does not necessarily imply that plasticity is adaptive. Adaptive plasticity refers to the phenotypic plasticity which can greatly improve species fitness. Up till now, there have been very few studies on adaptive plasticity of plants to environmental stress, which still needs to be greatly advanced. Flooding is one of the most important factors limiting survival and evolution of riparian plants. However, flood-tolerant plants always possess high phenotypic plasticity, whether it is adaptive is not clear, upon flooding. This study will research on the typical riparian plant Polygonum hydropiper, which is naturally distributed at the water-level fluctuation zones of the Three Gorges Reservoir Region and subjected to long-term natural flooding. The plasticity variations of P. hydropiper within and between populations upon flooding and the related eco-physiological mechanism will be studied. The correlation between phenotypic plasticity and environmental factors of mother plants will be analyzed. The costs and benefits of phenotypic plasticity of different genotypes to heterogeneous flooding stress will be investigated. Finally，the adaptive plasticity of riparian plants to flooding will be elicited. This study will further advance the researches on the basic theory of adaptive evolution of riparian plants and re-vegetation in degraded riparian areas.

植物的表型可塑性在自然界普遍存在，但并非所有的可塑性都具有适应性，只有能显著提高物种适合度的表型可塑性被称为适应可塑性（adaptive plasticity）。然而，目前对植物适应可塑性的研究还较为缺乏。水淹是影响河岸带植物生存和进化的重要环境因子，水淹耐受能力强的物种往往对水淹具有较高的表型可塑性，然而其是否具有适应性并不清楚。本研究以三峡库区长期经历自然水淹的消落带为研究区域，研究典型河岸带植物水蓼（Polygonum hydropiper）对水淹的表型可塑性在种群内和种群间的差异，揭示产生可塑性差异的生理生态学机制，分析植株的表型可塑性与其母代所在生境环境因子的相关性，分析异质水淹胁迫下不同基因型植株的表型可塑性的成本和效益，进而探讨河岸带植物对水淹环境的适应可塑性。本研究将进一步完善河岸带植物对水淹胁迫适应进化的基础理论研究，并为退化河岸带植被的恢复与重建提供理论基础和科学依据。

本研究以三峡库区重庆北碚至湖北宜昌的消落带为研究区域，以典型河岸带植物水蓼为研究对象，结合野外原位测定和温室模拟水淹实验，研究了河岸带植物水蓼对淹水环境的表型可塑性在种群内和种群间的差异，分析其表型可塑性在淹水条件下的成本和效益, 探讨了河岸带植物对淹水胁迫的适应可塑性机制。研究结果发现：（1）长期自然淹水条件下，消落带高低高程水蓼种群的生长、生理和繁殖性状已产生分化：高高程水蓼种群具有较高的营养生长，而低高程种群具有较高的繁殖分配，表明高低高程水蓼种群形成不同的资源投资策略以适应不同的淹水节律；（2）与高高程种群相比，低高程种群的种子萌发较快且萌发率较高；高低高程子代植株的种内和种间竞争能力均无显著差异；（3）同质园条件下，淹水显著增加了水蓼子代植株的比叶面积和气生根生物量；高高程水蓼子代植株的叶和根性状差异显著高于低高程子代植株；然而，低高程子代植株对淹水响应的差异显著高于高高程子代植株。因此，长期淹水对消落带水蓼子代植株产生了一定的选择压力，且对低高程植株的选择压力高于高高程植株；（4）早期淹水和富营养化淹水处理均诱导了子代植株不定根的产生；然而，早期淹水诱导并没有提高高低高程植株对淹水的耐受能力。富营养化淹水（高水体养分）显著提高子代植株后期对淹水的表型可塑性及耐受能力；（5）低高程种系（每个植株的所有子代植株）的叶宽、叶片数、平均叶面积和叶生物量的可塑性在对照和淹水条件下均具有可塑性效益；低高程种系的叶长、叶宽、平均和总叶面积的可塑性在淹水条件下具有可塑性代价；因此，低高程来源的子代种系中能均衡叶性状可塑性的成本和效益的植株在低高程区域具有较高的适合度。综上，经历长期自然水淹后，三峡库区消落带高低高程水蓼种群对淹水的表型响应已表现出显著差异，可能已产生种群内的遗传分化。低高程来源的不同种系植株的叶性状对水淹的响应更积极，有利于提高其种群的适合度，具有一定的进化潜能。