雌雄异株植物根系间的性别识别与竞争机制

To investigate the mechanism of gender recognition and competition in roots of dioecious plant, Populus cathayana is selected as an model tree in our laboratory experiment. Combined the composition and content analysis of root secretions, morphological variation, physiological progress, hormone levels and type of secretion of male and female P. cathayana individuals grown under different interplant conditions (intra/inter-gender, intra/inter-genotype and intra/inter-population) were investigated by using Root Measurement System (WinRHIZO) and In Situ Root Imager (CI-600). Our aims are (1) to explore the internal mechanism in gender recognition in roots between male and female individuals.(2) to determine the competitive strategy employed by plant when two intra- or inter-sexual interplant individuals encounter. (3) to investigate the correlation between kinship and phenomena of gender recognition in dioecious plant.(4) to evaluate the potential effects on belowground competition between two sexes and sex ratio of population caused by root interaction and competition in natural dioecious plant population. Our study may contribute to broadening the scale of root interaction researches, perfecting the theory in underground competition of dioecious plant, providing new evidences for understanding sex ratio bias in natural dioecious population, and developing a scientific technology for poplar cultivation.

以青杨为雌雄异株植物的代表，采用室内控制试验的方式，利用先进的根系分析系统和生长监测系统，结合根系分泌物的化学成分分析，对青杨雌雄植株在多种组合（不同性别、不同基因、不同种群）的生长模式下根系的形态变化、生理特性、激素含量、物质分泌等4个方面进行深入研究。主要揭示雌雄植株的根系间性别识别的内在驱动机制，掌握雌雄植株根系相邻后的竞争策略，探究亲缘关系对根系识别的影响，预测性别识别与竞争现象对该类植物的地下竞争和种群性比的潜在影响。研究结果可以拓展植物根系间相互作用的研究内容，不仅为该类雌雄异株植物地下竞争机理提供理论支撑，而且还为解释该类植物性比偏倚现象提供新的证据，也为杨属物种的科学培育提供理论参考。

本项目以青杨为雌雄异株植物的代表，采用室内控制试验的方式，利用根系分析系统和生长监测系统，结合根系分泌物的化学成分分析，对青杨雌雄植株在多种组合的生长模式下根系的形态变化、生理特性、激素含量、物质分泌等4个方面进行深入研究。通过研究发现：1）青杨植株遇到同性的根系邻居时会改变其根系结构，但遇到异性时根系几乎没有显著变化。雌株遇到同性植株时提高了根系的生长但降低了根系的分蘖，而雄株遇到同性时降低了根系的生长但增加了根系的分蘖。结果表明了雌雄异株植物个体具有辨识邻近植株性别的能力。2）来自同性植株的根系分泌物显著降低了雌雄植株的生物量积累、光合能力、水势、水分利用效率、叶营养物质、根的活力和粗细，但增加了根的分蘖、比根长和比根面积，尤其是雄株。然而，异性植株的根系分泌物对雌株的茎和总生物量、氮含量、氮吸收效率和叶与根的生理特性具有促进效应，而雄株在上述大多数指标上则无显著变化。研究结果证实了根系分泌物通过传递一些可以识别邻株性别的特殊信号去调节雌雄植株性别内和性别间的相互作用关系。3）额外接种丛枝菌根导致青杨雌雄幼苗在根系结构和元素吸收方面出现差异，扩大了青杨雌雄植株在形态和生物量积累之间的性别差异。丛枝菌根侵染后的雌株与异性邻株竞争时表现出比雄株更高的指标值。结果揭示了额外接种丛枝菌根增大了雌雄植株性别间的竞争强度。4）发现青杨根系分泌物中含有包括烃类，醇类，酚类，酯类和酰胺等12种化合物。不同雌雄植株的栽种模式会影响青杨根系分泌物的成分与含量。合栽与单栽模式具有共有的根系分泌物成分，雌雄合栽模式下的根系分泌物中出现一些特有物质如酰胺，烷烃和酯类。结果证明了异性植株的存在将增加青杨根系分泌物的组分和类型并改变某些共有组分的相对含量，根系分泌物是雌雄植株间出现识别与竞争现象的重要物质。上述研究结果为雌雄异株植物地下竞争机理提供理论支撑，而且为解释该类植物性比偏倚现象提供新的证据。